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0 摘 要 隨著當(dāng)今工業(yè)設(shè)備對(duì)精密程度的要求越來越高，加工設(shè)備的機(jī)械加工 設(shè)備的加工的精密程度也要求越來越高。而在中國的機(jī)械加工設(shè)備的車床 中普通車床占了很大比例。這已經(jīng)越來越制約著當(dāng)今工業(yè)的發(fā)展。而數(shù)控 機(jī)床由于價(jià)格昂貴，且需要較高技術(shù)的加工工人。所以對(duì)機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)化 改造很是必要。本篇論文是在對(duì)普通臥式車床 CA6140 的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行 機(jī)電一體化改造。 作者在搜索、查閱研究大量有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)床自動(dòng)化改造技 術(shù)進(jìn)行了深入的研究和分析，并描述了機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。整個(gè)改造過 程主要對(duì)車床縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行改造，絲杠選用摩擦損失小，效率高， 精度高，壽命長的滾珠絲杠,電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī),電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠用齒輪減 速；刀架改造成能自動(dòng)換刀的回轉(zhuǎn)刀架，由脈沖發(fā)生器來加工所需要的螺 紋；整個(gè)控制系統(tǒng)以 JKW-15T 型號(hào)的單片機(jī)為中心，通過編程對(duì)機(jī)床的驅(qū) 動(dòng)設(shè)備進(jìn)行控制以達(dá)到所需要的加工程度。 關(guān)鍵詞：機(jī)床改造； 自動(dòng)化機(jī)床； 控制系統(tǒng) 1 ABSTRACT With the development of industry equipment, the precision required of industry equipment is more and more high. The more and more precision of equipment which machined the industry equipment is required. But in China the common lathe have a very great comparison in the machined equipment, this already restrict the development of industrial nowadays. But the CN lathe is more expensive, and needed workers with higher technically. So it is a necessity very much to modify the common lathe to lathes automatic. This paper is in the foundation of the commonness horizontal lather CA6140 and modified it to Lathes automatic. The author has performed the further research and for the lathes automatic modification on the basis of the constant consultation of abundant relative documents, which focuses on describing the design of control of the machine. Screw on the choice of friction loss, high efficiency, high precision, long life of the ball screw, the electrical selected stepper motor, motor and the ball screw with gear deceleration.The main to modify the lathe is to modify the portrait, horizontal enter to the system in the Whole modification process and choose the automatic knife rest and be processed the thread need by pulser. The whole control system with the CPU of JKW-15T is to control the machine for center, through a plait distance drive tool machine an equipments to carry on control to attain need of process degree. Key words: Machinery Tool Reform； Lathes automatic； Servo system 2 目 錄 第一章 緒 論 .............................................1 1.1 機(jī)電一體化的發(fā)展 ...........................................1 1.1.1 機(jī)電一體化技術(shù) .........................................1 1.1.2 機(jī)電一體化發(fā)展概述 .....................................2 1.2 機(jī)電一體化改造的必要性 .....................................3 1.2.1 機(jī)床改造的意義 .........................................3 1.2.2 機(jī)床改造的市場 .........................................4 1.3 機(jī)電改造的內(nèi)容 .............................................6 1.4 本文的選題及主要研究內(nèi)容 ...................................8 1.4.1 本文的選題 .............................................8 1.4.2 主要研究內(nèi)容 ...........................................8 1.5 車床總體改造方案 ...........................................9 1.5.1 設(shè)計(jì)基本思路 ...........................................9 1.5.2 設(shè)計(jì)要求 ..............................................10 第二章車床改造的機(jī)械部分設(shè)計(jì) ..............................13 2.1 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì) ..................................13 2.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型 ..........................15 2.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 ....................................15 2.2.2 切削力計(jì)算 ............................................16 2.3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算與選用 ..................................17 2.3.1 滾珠絲杠簡介 ..........................................17 2.3.2 縱向滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算 ..............................18 2.3.3 橫向滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算 ..............................26 2.3.4 滾珠絲杠的安裝與使用 ..................................33 2.4 電機(jī)與滾珠絲杠連接用減速齒輪的設(shè)計(jì)與校核 ..................36 2.4.1 齒輪傳動(dòng) ..............................................36 2.4.2 縱向減速齒輪的設(shè)計(jì)與校核 ..............................37 2.4.3 橫向減速齒輪的設(shè)計(jì)與校核 ..............................41 2.5 進(jìn)給系統(tǒng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選擇 ..........................45 2.5.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) ............................................45 3 2.5.2 縱向電機(jī)的計(jì)算與選擇 ..................................48 2.5.3 橫向電機(jī)的計(jì)算與選擇 ..................................51 2.6 電動(dòng)刀架選擇與介紹 ........................................55 第 3 章 主軸脈沖發(fā)生器介紹與選型 ...........................58 3.1 光電編碼器原理 ............................................58 3.2 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 ......................................60 3.3 主軸脈沖發(fā)生器的選擇 ......................................60 第四章 控制裝置的選用 .....................................63 4.1 JWK-15T 的簡介 ............................................63 4.2 功能分配 ..................................................65 4.3 程序設(shè)計(jì) ..................................................67 第五章 結(jié)論 ..................................................78 參考文獻(xiàn) ......................................................79 英文原文 ......................................................81 中文譯文 ......................................................90 致 謝 ........................................................97 0 第一章 緒 論 1.1 機(jī)電一體化的發(fā)展 1.1.1 機(jī)電一體化技術(shù) 機(jī)電一體化的實(shí)質(zhì)是機(jī)械工程技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合。機(jī)電一體化技 術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性的復(fù)合技術(shù)，它隨機(jī)械工程技術(shù)、微電子技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、材料工程技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)步。機(jī)電一體化的一些 共性關(guān)鍵技術(shù)有：信息處理技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、伺服傳 動(dòng)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、系統(tǒng)總體技術(shù)等。 把機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)和生活所開發(fā)出來的新產(chǎn)品叫做機(jī)電一體 化產(chǎn)品。數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、全自動(dòng)智能洗衣機(jī)等是典型的機(jī)電一體化產(chǎn) 品。在發(fā)達(dá)國家中，機(jī)床的數(shù)控化已達(dá) 25%以上，而我國還不到 1%。但是， 隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的需求量將增加。世界機(jī)器人的 擁有量在未來 10 年將以 25%30%的速度增長，將進(jìn)入生產(chǎn)自動(dòng)化、航天、 深海以及軍事、農(nóng)業(yè)、辦公、醫(yī)院、家庭、社區(qū)等諸多領(lǐng)域。像全自動(dòng)智 能洗衣機(jī)這樣生活領(lǐng)域中的許許多多機(jī)電一體化產(chǎn)品已經(jīng)被人們所喜愛， 還在被大量地開發(fā)出來。 以信息為主要工作對(duì)象，既有控制功能的系統(tǒng)工程可稱為機(jī)電一體化系 統(tǒng)。比如，CIMS 是比較大的機(jī)電一體化系統(tǒng)工程。它將制造系統(tǒng)、設(shè)計(jì)系 統(tǒng)、經(jīng)營管理系統(tǒng)、信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來。 它是一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，輸入的是關(guān)于產(chǎn)品的概念和需要，輸出的是經(jīng)檢 驗(yàn)合格可交付使用的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)機(jī)械工廠綜合自動(dòng)化。 1 1.1.2 機(jī)電一體化發(fā)展概述 人類用機(jī)器體系代替手工勞動(dòng)生產(chǎn)是在 1785 年蒸汽機(jī)在紡織工廠的使用 而開始的。1873 年出現(xiàn)的第一臺(tái)凸輪控制車床，開始了機(jī)械自動(dòng)化的進(jìn)程。 19101920 年美國福特汽車公司通過設(shè)計(jì)制造大量專用機(jī)床，首先建立生產(chǎn) 流水線，創(chuàng)造平均每分鐘生產(chǎn)一輛汽車的記錄，并使生產(chǎn)成本大大降低。 20 世紀(jì) 40 年代后期，人們利用機(jī)器的、電氣的和液壓的自動(dòng)化裝置，設(shè)計(jì) 制造出各種高效的自動(dòng)化機(jī)床，并用自動(dòng)輸送帶將各個(gè)單獨(dú)的機(jī)床連接成 自動(dòng)生產(chǎn)線，從而使單一的品種大量生產(chǎn)為特征的剛性自動(dòng)化生產(chǎn)達(dá)成成 熟階段。自動(dòng)化生產(chǎn)對(duì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和 推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步起了不可估量的作用。 20 世紀(jì) 40 年代世界上誕生了第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)，使數(shù)控技術(shù) （Numerical Control-NC）的出現(xiàn)成為可能，1952 年美國麻省理工學(xué)院首先 研制成專用電子計(jì)算機(jī)控制的三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床，解決了單件小屁生產(chǎn) 自動(dòng)化問題，開創(chuàng)了將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于機(jī)械裝備自動(dòng)控制的新時(shí)代。1958 年， 第一臺(tái)具有自動(dòng)換刀裝置和刀庫的數(shù)控機(jī)床即加工中心（Machining Center- MC）在美國研制成功，進(jìn)一步提高了數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度。第一臺(tái)工業(yè) 機(jī)器人（Industrial Robot）于 1959 年出現(xiàn)于美國。最早的工業(yè)機(jī)器人是極 坐標(biāo)式的，它的出現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化制造技術(shù)具有很大的意義。工業(yè)機(jī)器人可自 動(dòng)進(jìn)程裝配、焊接、噴漆、熱處理、清砂、澆注鑄件以及在惡劣環(huán)境中工 作等。1960 年，美國研制成功自適應(yīng)控制機(jī)床（Adaptive Control Machine Tools） ，使機(jī)床具有一定的智能，可以有效提高加工質(zhì)量。 1962 年和 1963 年又相繼在美國出現(xiàn)了圓柱坐標(biāo)式工業(yè)機(jī)器人和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及繪圖系 統(tǒng)（Computer Aided Design-CAD） ，后者為自動(dòng)化設(shè)計(jì)與制造之間的集成奠 定了基礎(chǔ)。 進(jìn)入 20 世紀(jì) 70 年代以來，以大規(guī)模集成電路和微型電子計(jì)算機(jī)為代表 2 的微電子技術(shù)，迅速地被應(yīng)用到機(jī)械工業(yè)中，促進(jìn)了機(jī)械工業(yè)突飛猛進(jìn)發(fā) 展，出現(xiàn)了種類繁多的微電子技術(shù)控制的機(jī)械、儀器和軍械裝備，以及柔 性制造線 FML、柔性制造系統(tǒng) FMS 和自動(dòng)化制造系統(tǒng)，這樣就大幅度地提 高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，適應(yīng)了市場對(duì)產(chǎn)品多樣化的要求，豐富了熱 門類的物質(zhì)文明。今天，機(jī)械裝備的面貌已煥然一新，成為機(jī)與電高度融 合的整體，不僅成為人類體力的延伸，而且成為人類智力的延伸。 1.2 機(jī)電一體化改造的必要性 1.2.1 機(jī)床改造的意義 通常說“機(jī)床的真正價(jià)值在于使用” 。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，即使原來屬 于新穎，先進(jìn)的機(jī)床也會(huì)逐漸變得陳舊，落后，滿足不了產(chǎn)品種類的日益 增加，質(zhì)量不斷提高的需要，因此， “技術(shù)老化”是客觀規(guī)律。 據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家里，設(shè)備的平均役齡控制在 1020 年之間，設(shè)備的“技術(shù)老化”期已短于 10 年，10 年役齡以內(nèi)的設(shè)備能夠達(dá) 到設(shè)備總數(shù)的 50%左右。由此可見，設(shè)備速度相當(dāng)快，一是用技術(shù)更為先 進(jìn)的新設(shè)備來代替技術(shù)性能“老化”了的舊設(shè)備；另一是進(jìn)行有效的技術(shù) 改進(jìn)，使舊設(shè)備適應(yīng)新的生產(chǎn)需要。例如，美國和西歐的一些工業(yè)先進(jìn)國 家，在鋼鐵企業(yè)中雖然早已實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化，可是舊設(shè)備并沒有全部毀棄， 而是通過技術(shù)改造的方法，使一些舊的設(shè)備能夠達(dá)到使用新技術(shù)，新工藝 的需要，繼續(xù)生產(chǎn)出具有競爭能力的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。 目前，我國的工廠企業(yè)，除了一些新建單位外，大多數(shù)都存在“技術(shù)老 化”的問題設(shè)備役齡在 15 年以上的，所占比重相當(dāng)大，面對(duì)這么多陳舊設(shè) 備應(yīng)該怎么辦？這是一個(gè)急待解決的大問題。 為實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化，我們同樣要?jiǎng)?chuàng)造和引進(jìn)新技術(shù)，新工藝，新設(shè)備， 進(jìn)行必要的設(shè)備更新。另一方面動(dòng)員機(jī)械制造業(yè)的廣大職工，堅(jiān)持自力更 3 生和勤儉本企業(yè)的方針，大搞技術(shù)革新，挖掘設(shè)備潛力，更具有現(xiàn)實(shí)意義。 而改造機(jī)床是深受大家歡迎的一種革新形式，為滿足生產(chǎn)的需要已經(jīng)做出 了重大的貢獻(xiàn)。例如，某機(jī)械廠生產(chǎn)的只要產(chǎn)品是板框壓濾機(jī)，生產(chǎn)批量 很大，僅慮壓板每年需要兩萬多塊，總重量 2200 多噸。為了滿足生產(chǎn)的需 要，如果設(shè)計(jì)制造一條新的加工作業(yè)線，需要投資 20 余萬元，便改裝成了 專用加工作業(yè)線。此作業(yè)線自 1960 年投產(chǎn)以來，到現(xiàn)在已使用了 20 多年 了，一直負(fù)擔(dān)者全部慮壓板的生產(chǎn)任務(wù)，并且加工質(zhì)量很穩(wěn)定。又如，這 個(gè)廠利用一臺(tái)報(bào)廢了的皮帶傳動(dòng)龍門刨的床身，改裝成了一臺(tái)行程 8 米的 導(dǎo)軌磨，從 1972 年改裝成功到現(xiàn)在，共大修本廠機(jī)床 400 多臺(tái)次，協(xié)助兄 弟廠大修床身百余臺(tái)，并且修磨精度高，光潔度好；然而改裝這臺(tái)機(jī)床只 投資 5000 元，可是購買一臺(tái)新的導(dǎo)軌磨床卻要花費(fèi) 10 幾萬元。 改造機(jī)床的效益是多方面的，再從提高生產(chǎn)率看，假設(shè)改造機(jī)床 100 萬 臺(tái)，每臺(tái)生產(chǎn)率提高 20%，這就等于多生產(chǎn) 20 萬臺(tái)新機(jī)床；反之，如果不 對(duì)舊機(jī)床實(shí)行技術(shù)改造，當(dāng)前生產(chǎn)的新機(jī)床在技術(shù)水平上或數(shù)量上又不能 及時(shí)地滿足生產(chǎn)需要時(shí)，那就勢必會(huì)影響國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。 通過上述事例不難看出，機(jī)床改造不但是解決設(shè)備“技術(shù)老化”的重要 途徑，能夠滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，而且可以獲得十分客觀的經(jīng)濟(jì)效果。 1.2.2 機(jī)床改造的市場 （1）機(jī)床數(shù)控化改造的市場 我國目前機(jī)床總量 380 余萬臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 11.34 萬臺(tái)， 即我國機(jī)床數(shù)控化率不到 3。近 10 年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為 0.60.8 萬臺(tái)，年產(chǎn)值約為 18 億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6。我國 機(jī)床役齡 10 年以上的占 60以上；10 年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床 不到 20，F(xiàn)MC/FMS 等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動(dòng)和半 4 自動(dòng)機(jī)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(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機(jī)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(gè)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(jī)床的數(shù)控化率。 （2）進(jìn)口設(shè)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(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行 技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從 19791988 年 10 年間，全國引進(jìn)技術(shù)改造 項(xiàng)目就有 18446 項(xiàng)，大約 165.8 億美元。 這些項(xiàng)目中，大部分項(xiàng)目為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是 有的引進(jìn)項(xiàng)目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使 企業(yè)的效益受到影響，嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國外 引進(jìn)以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良；有 的引進(jìn)時(shí)只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造 成項(xiàng)目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動(dòng)運(yùn)行，沒有發(fā)揮應(yīng) 有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因?yàn)樵O(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)； 有的因?yàn)槟芎母?、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進(jìn)較長時(shí)間，需要 進(jìn)行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財(cái)富，反而消耗著財(cái)富。 這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個(gè)包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)， 修好了就是財(cái)富。只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn)，解決關(guān)鍵技術(shù)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(jì)效益和社會(huì)效益。這 也是一個(gè)極大的改造市場。 5 1.3 機(jī)電改造的內(nèi)容 一.控制部分 目前，在機(jī)械加工工業(yè)中，絕大多數(shù)是舊式機(jī)床，如果改用微機(jī)控制、 實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的改造，會(huì)使機(jī)床適應(yīng)小批量、多品種、復(fù)雜零件的加工， 不但提高加工精度和生產(chǎn)率，而且成本低、周期短，適合我國國情。利用 微機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的機(jī)電一體化改造的方法有兩種，一種是以微機(jī)為中心設(shè)計(jì) 控制部件；另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置， 前者需要重新設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，比較復(fù)雜；后者選用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的微機(jī)空控 制系統(tǒng)，比較簡單。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)控制系統(tǒng)通常采用單板機(jī)、單片機(jī)、 驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)及專用控制程序組成的開環(huán)控制，如圖 1-1 所示，其 結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉。對(duì)機(jī)床的控制過程大多是用單片機(jī)單板機(jī)按照輸入 的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，產(chǎn)生進(jìn)給，由軟件或硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，輸出 一系列脈沖，凈功率放大、驅(qū)動(dòng)刀架、縱橫軸運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)刀具 按規(guī)定的輪廓線軌跡運(yùn)動(dòng)。微機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算的速度較快，可以讓單板機(jī) 沒完成一次插補(bǔ)、進(jìn)給，就執(zhí)行一次延時(shí)程序，由延時(shí)程序控制進(jìn)給速度。 二機(jī)械部分 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)與一般的機(jī)械系統(tǒng)相比，除要求具有較高的 定位精度之外，還應(yīng)有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，就是說相應(yīng)要快、穩(wěn)定性要 好。一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，通常由控制部件、接口電路、功率放大 電路、執(zhí)行元件、機(jī)械傳動(dòng)部件、導(dǎo)向支承部件，以及檢測傳感部件等部 分組成。為確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)中，常提出無 間隙、低摩擦、地慣量、高剛度、高諧振頻率、適當(dāng)?shù)淖枘岜鹊纫?。?達(dá)到上述要求主要從一下幾個(gè)方面采取措施。 （1） 采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支承部件，如采用滾珠絲杠副、 6 滾動(dòng)導(dǎo)向支承、動(dòng)（靜）壓導(dǎo)向支承等。 （2） 縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支承剛度，如用加預(yù)緊的方法提高滾珠 絲杠副和滾珠導(dǎo)軌副的傳動(dòng)與支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的 直流或交流伺服電機(jī)直接與絲杠螺母副連接以減少中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)； 絲杠的支承設(shè)計(jì)中采用兩端軸向預(yù)緊或拉伸支承機(jī)構(gòu)等。 （3） 選用最佳傳動(dòng)比，以達(dá)到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件 輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，盡可能提高加速能力。 （4） 縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動(dòng)間隙、減少支承變形的措施。 （5） 改進(jìn)支承及架體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提高剛性、減少振動(dòng)、降低噪聲。 如選用復(fù)合材料等來提高剛度和強(qiáng)度，減輕重量、縮小體積使結(jié) 構(gòu)緊密化，以確保系統(tǒng)的小型化、輕量化、高速化和高可靠性化。 刀 架電 機(jī)刀 架 控 制 電 路繼 電 器回轉(zhuǎn)刀架 （ ）車床縱橫等軸限位主軸脈沖發(fā)生器 光電隔離驅(qū)動(dòng)器 功率放大電路/口擴(kuò)展存儲(chǔ)器擴(kuò)展微機(jī) 急 停 、清 零 等功 能 按 鈕 電機(jī)電機(jī)電機(jī) 7 圖 1-1 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖 1.4 本文的選題及主要研究內(nèi)容 1.4.1 本文的選題 目前，我國的工廠企業(yè)，除了一些新建單位外，大多數(shù)都存在“技術(shù)老 化”的問題設(shè)備役齡在 15 年以上的，所占比重相當(dāng)大，面對(duì)這么多陳舊設(shè) 備應(yīng)該怎么辦？這是一個(gè)急待解決的大問題。 用普通臥式車床去加工有時(shí)一個(gè)人加工的東西都會(huì)誤差很大，這樣給所 造設(shè)備帶來很多的小問題。而如果要新買一臺(tái)新的數(shù)控車床，一是總體成 本太高，因?yàn)樾詢r(jià)比不是太高，容易浪費(fèi)資源，二是工廠沒有工人精通數(shù) 控車床，所以要培訓(xùn)工人一定又要花費(fèi)很多時(shí)間影響生產(chǎn)進(jìn)度。 所以設(shè)想決定對(duì)其數(shù)控改造，改造的同時(shí)讓操作人員一直在旁邊學(xué)習(xí)，學(xué) 習(xí)怎么改裝，怎么安裝，并講解如何使用。 把所要加工的零件程序輸入到存儲(chǔ)器中，用到時(shí)直接調(diào)用即可，這樣一個(gè) 人即可操作兩臺(tái)機(jī)床，而且效率提高了好大，精度也會(huì)提高很高，會(huì)為廠 帶來很大經(jīng)濟(jì)利益。 1.4.2 主要研究內(nèi)容 1. CA6140 車床數(shù)控化改造總體機(jī)械部件設(shè)計(jì)。 2.進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選用。包括了進(jìn)給滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與選用，消隙 8 減速齒輪系的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，進(jìn)給用步進(jìn)電機(jī)的選擇與校核。 3主軸脈沖發(fā)生器的安裝 4刀架的選用 5.數(shù)控系統(tǒng)的選擇 1.5 車床總體改造方案 1.5.1 設(shè)計(jì)基本思路 普通車床（如 C616,C618,C620,CA6140,C630）等是金屬切削加工最常 用的一類機(jī)床。400普通車床的布局如圖 1-2 所示。當(dāng)工件隨主軸回 轉(zhuǎn)時(shí)，通過刀架的縱向和橫向移動(dòng)，能加工出內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端 面、螺紋面等。借助成形刀具，還能加工出各種成形回轉(zhuǎn)面。 普通車床刀架的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)掛輪傳遞而 來，通過進(jìn)給箱變速后，由光杠或絲杠帶動(dòng)溜板箱、縱溜板、橫溜板移 動(dòng)。進(jìn)給參數(shù)要靠手工預(yù)先調(diào)整好，改變參數(shù)時(shí)要停車進(jìn)行操作。刀架 的縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給不能聯(lián)動(dòng)，切削次序也由人工控制。 9 圖 1-2 400mm 普通車床的結(jié)構(gòu)布局圖 對(duì)普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造成為 微機(jī)控制的、能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；刀架改造成能自動(dòng)換刀的回 轉(zhuǎn)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行 切削加工。由于切削加工中的切削參數(shù)，切削次序和刀具都會(huì)按程序自 動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和更換，再加上縱向和橫向進(jìn)給聯(lián)動(dòng)的功能，數(shù)控改裝后的 車床就可以加工出各種形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實(shí)現(xiàn)多工序自動(dòng)車削， 從而提高了生產(chǎn)率和加工精度，也能適應(yīng)小批量多品種復(fù)雜零件的加工。 1.5.2 設(shè)計(jì)要求 1.總體設(shè)計(jì)要求 總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式，伺服系統(tǒng)的類型，計(jì) 10 算機(jī)的選擇，以及傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇。 （1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位，縱向和橫向的直線插補(bǔ)，圓 弧插補(bǔ)功能；還要求能暫停，進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控 系統(tǒng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。 （2）車床數(shù)控改裝設(shè)計(jì)后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，再保證一定加工精度 的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī) 開環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟(jì)性 要求，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用 8 位微機(jī)。再 8 位微機(jī)中，MCS---51 系 列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)， 具有很高的性能價(jià)格比。因此，可選擇 MCS---51 系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 （4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中除了 CPU 外，還包括擴(kuò)展 程序存儲(chǔ)器、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O 接口電路；包括能輸入加工程序和控 制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器；包括光電隔 離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工用的光電 脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。 （5）設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。 （6）縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、 絲杠螺母副組成，其傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。 （7）為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng) 效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)。 （8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖如圖 1-3 所示 11 向向步 進(jìn)電 機(jī) 床 鞍 及 拖 板中 拖 板步 進(jìn)電 機(jī)功率放大功率放大光電隔離光電隔離微機(jī) 圖 1-3 車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案框圖 2.設(shè)計(jì)參數(shù) 設(shè)計(jì)參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)所需要的 參數(shù)。以 CA6140 改裝為例，設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 最大加工直徑 在床面上 400 在床鞍上 210 最大加工長度 1000 快進(jìn)速度 縱向 2.4m/min 橫向 1.2m/min 溜板及刀架重力 縱向 800N 橫向 600N 主電動(dòng)機(jī)功率 7.5kW 代碼制 ISO 脈沖分配方式 逐點(diǎn)比較法 12 輸入方式 增量值，絕對(duì)值通用 控制坐標(biāo)數(shù) 2 最小指令值（脈沖當(dāng)量） 縱向 0.01/脈沖 橫向 0.005/脈沖 機(jī)床定位精度 0.015 刀具補(bǔ)償量 099.99 進(jìn)給傳動(dòng)鏈間隙補(bǔ)償量 縱向 0.15 橫向 0.075 自動(dòng)升降速性能 有 3.其他要求 （1）原機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動(dòng)量，以降低成本，縮 短改造周期。 （2）機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保證 安裝、調(diào)試、拆卸方便；需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便 第二章車床改造的機(jī)械部分設(shè)計(jì) 2.1 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì) 進(jìn)給系統(tǒng)改裝設(shè)計(jì)需要改動(dòng)的主要部件有掛輪架、進(jìn)給箱、溜板箱、溜 板、刀架等，改裝的方案不唯一的，一下以 C630 車床為例，介紹其中的一 種方案。 掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動(dòng)軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。 13 進(jìn)給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與齒輪減速箱 總成。絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠。滾珠絲杠的另一 端支承座按章在車廠尾座端原來裝軸承座的部分。 溜板箱部分：全部拆除，在原處安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部 分操作按鈕。 溜板部分：將原橫（縱）溜板中的絲杠、螺母拆除，改裝橫（縱）向進(jìn) 給滾珠絲杠螺母副，橫（縱）向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速器總成安裝在橫 （縱）溜板后部并與滾珠絲杠相連。 刀架：拆除原刀架，改裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)四方刀架總成。 改裝后機(jī)床總體布局如圖 2-1 所示 14 螺釘 件螺釘 件 鍵6-1件鍵6-1 件：1 1.5： 急停 拆去防護(hù)罩 向旋轉(zhuǎn) 徐繼敏 徐海學(xué)院機(jī)自04-2學(xué)號(hào)：269 圖 2-1 車床改裝總體布置圖 15 2.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當(dāng)量，計(jì)算切 削力，滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型，齒輪傳動(dòng)計(jì)算，步進(jìn)電機(jī)的 計(jì)算與選型等。計(jì)算簡圖如圖 2-2 所示 圖 2-2 進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖 (a)縱向進(jìn)給 (b)橫向進(jìn)給 2.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是指一個(gè)進(jìn)給脈沖使機(jī)床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量，它是衡量 數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。因此，脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)床精度 的要求來確定。對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床來說，常采用的脈沖當(dāng)量為 0.01mm/脈沖 0.005mm/脈沖。前述 CA6140 的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當(dāng)量為 0.01mm/脈沖，橫向脈沖當(dāng)量為 0.005mm/脈沖。 2.2.2 切削力計(jì)算 16 在進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)計(jì)算、選用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，都要用到切削力（機(jī)床的主要 負(fù)載） ，切削力的分析和計(jì)算可以參考以下簡單而實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式。 縱切外圓時(shí)，車床的主切削力 Fz 可以用下式計(jì)算： N5.167.0DFZ 式中：D 為在車床床面上加工的最大直徑（mm） 。 橫切斷面時(shí)，主切削力約為 。ZF21 走刀方向的切削分力 和垂直走刀方向的切削分力 可按以下比例求出：X YF4.051：：：： YXZF 切削力的示意圖見圖 2-3 橫 切 端 面 縱 車 外 圓 圖 2-3 縱車外圓及橫切端面切削力示意 2.3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算與選用 2.3.1 滾珠絲杠簡介 滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)的理想的產(chǎn)品。 17 滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直 線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將 軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣 泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。 滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是 將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具 高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。 1)與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為 1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能 得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到 1/3 以下,即 達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的 1/3。在省電方面很有幫 助。 2)高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的， 特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度濕度進(jìn)行了嚴(yán)格 的控制,由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。 3)微進(jìn)給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng) 那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。 4)無側(cè)隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較 高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾 珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng))。 5)高速進(jìn)給可能 滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動(dòng))。 18 2.3.2 縱向滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算 以下公式參考自實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 已知條件： 工作臺(tái)重量 =80KG=800N 工件及夾具最大重量 =200N 工作臺(tái)1W2W 最大行程 =1000mm 工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為 u=0.05 快速進(jìn)給速度 LK =2.4m/min 定位精度為 15um/300mm,全行程 25um,重復(fù)定位精度為maxV 10um 要求壽命為 10000 小時(shí)（單班制工作十年） 。絲杠螺母副材料硬度 50-60HRC，工作溫度小于 100，溫升 =4，可靠性要求 96%，采用雙推t -雙推（F-F）支承組合方式，運(yùn)轉(zhuǎn)一般。 各種切削方式的縱向切削力 Fa,速度 V 和時(shí)間比例 q 及其他見下表 表一 各種切削方式的縱向切削力 Fa,速度 V 和時(shí)間比例 q 切削方 式 縱向切削 力 Pxi(N) 垂向切削 力 Pzi(N) 進(jìn)給速度 Vi(m/min) 工作時(shí)間百 分比 % 絲杠軸向載 荷 (N) 絲杠轉(zhuǎn) 速 r/min 強(qiáng)力切 削 2000 1200 0.6 10 2200 60 一般切 削 1000 500 0.8 30 1150 80 精切削 500 200 1 50 620 100 快速進(jìn) 給 0 0 2.4 5 1000 375 19 FZD405-3P 圖 2-4 進(jìn)給用滾珠絲杠裝配圖 （1）計(jì)算負(fù)荷與轉(zhuǎn)速 導(dǎo)軌摩擦力: = =0.05(800+200)=50NfFW 不計(jì)重負(fù)荷引起的導(dǎo)軌摩擦力，絲杠軸向負(fù)荷分別為： 強(qiáng)力切削：2050；一般切削：1050；精切削：550；快速進(jìn)給：50 伺服電機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速： =1500r/minmaxn 絲杠轉(zhuǎn)速： =600r/min5.210S 絲杠導(dǎo)程 ： =4mm 表 3.7-21 得 5mmPh64Ph 絲杠轉(zhuǎn)速: Vinp 由上表查的 =0.6m/min, =0.8m/min, =1m/min, =2.4m/min1v2v3v4v 代入得 120r/min， 160r/min， 200r/min， 480r/min nnnn 等效轉(zhuǎn)速： 10104321 ttttm 數(shù)據(jù)代入得 184r/minn 20 等效載荷 3 434323211 1010100 mmmmm ntFntFntFntF 帶入數(shù)據(jù)得 984.5N （2）初選滾珠絲杠副 由公式實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) （3.724）知6 )(01wkahtmaKfFCnL 查實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)表（3.751）表（3.754） 得 tf1， hf1， af 1， kf0.53， wf=1.3， hL10000h 代入數(shù)據(jù)可求得 11584.38N=11.6KNc 初選絲杠為內(nèi)循環(huán)，浮動(dòng)反相器，雙螺母墊片預(yù)緊。公稱直徑 d0=40mm,基 本導(dǎo)程 =5mm。滾珠直徑 =3.5,5 列。型號(hào)為 FFZD40*5-5,查實(shí)用PhWD 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)表 3.7-61 序號(hào) 8，額定動(dòng)載荷 =22KN 大于算出的ac （11.6KN） ，預(yù)緊力 =0.25 =925N，大于最大軸得載荷 2050N 的acPFmax 1/3，這種絲杠是可用的。 絲杠的螺紋部分長度 ； 等于工作臺(tái)最大行程 （1000mm）加螺紋長ul LK 度 L（110mm）加兩端導(dǎo)程 (20mm).eL =1000+110+2*20=1150mmul 支承跨距 ，應(yīng)大于 ，取 =1300mm1ul1 絲杠全長 L=1400mm F-F 支承方式的絲杠一般不會(huì)受壓縮力作用，可不效和壓桿的穩(wěn)定性。 絲杠彎曲振動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速 21 查實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)表 3.7-37 得 f=4.73 式中 = -1.22 =0.03573m2d0WD 臨界轉(zhuǎn)速的支承距離 =1200mm=1.2m2ueKClLlL 計(jì)算得 5501.3r/mincrn crmax (3)預(yù)拉伸計(jì)算 1） 溫升引起是我伸長量 ,溫升為 4，則螺紋部分伸長量為：t =a = =50.6umthul15.4016 絲杠全長的伸長量 為t a =57.2umt 3.61l 為此絲杠的目標(biāo)行程可定為比公稱行程小 0.02/1.30mm，絲杠在安裝時(shí)，進(jìn) 行預(yù)拉伸，拉伸量 為 0.05mm 拉伸方式可參看實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)圖0 3.7-26 2）預(yù)拉伸力 tF 根據(jù)材料力學(xué)歐拉公式 =3924.58N2050/315. 10.20341050 utlAE （4）軸承的選擇 采用成對(duì)較 60接觸角推力角接觸球軸承為固定端，軸承型號(hào) 7603020TVP，查表 3.7-39，其尺寸參數(shù)為：d=20mm,D=52mm,B=15mm,Z=13, =7.144mm,技術(shù)參數(shù)為：C=24500N, =45500N, =2800r/min,預(yù)加WD0Cmaxn 22 負(fù)荷 =2900N。PF ！）預(yù)負(fù)荷 軸承的預(yù)負(fù)荷不應(yīng)小于軸承最大載荷的 1/3，絲杠兩端固定，故軸承的最大 載荷等于預(yù)拉伸力 加最大外載荷的一半。t =4949.58N,故符合要求。20518.39421maxFt 2）疲勞壽命計(jì)算 軸承要求的動(dòng)負(fù)荷可按式 3.8-2 計(jì)算nNFhCfK1 考慮到數(shù)控機(jī)床本身特點(diǎn)，上式中系數(shù) ， ， ， 均取 1fK1Nnk 進(jìn)給力的方向是可變的，軸承負(fù)荷，可能是 P= ,也可能是 ,mFmtFP2 兩者機(jī)會(huì)均等，故取其平均值 P= t 當(dāng)量轉(zhuǎn)速 184R/min,故 =0.57mnnf 壽命為 10000h ,則 =2.71hf =18658.97N58.39247.01C 可以看出，7603020TVP 型軸承額定動(dòng)載荷 24500 N 符合。 (5)定位精度驗(yàn)算 1）絲杠在拉壓負(fù)荷下的最大強(qiáng)性變形 根據(jù)公式 3.7-34maxsF =0.003612 661max 0.034.4104sFAEL aFm =278N/asFaSK03.mxm 23 強(qiáng)力切削 =7.38um 一般切削 =3.78ummaxsF maxsF 精切削 =1.98um 快進(jìn)切削 =0.18ums s 2)滾珠絲杠與螺母間的接觸變形 CCaKF FFZD40*5-5 滾珠絲杠的 =2150N/umCK 強(qiáng)力切削 =0.95um 一般切削 =0.49umC C 精切削 =0.26um 快進(jìn)切削 =0.02um 3)軸承的接觸變形 B 60接觸角推力接觸球軸承的軸向剛度按下式計(jì)算 31052)sin(6.3aWBa FDK 式中 Z-滾動(dòng)體個(gè)數(shù)，這里 Z=13 接觸角，這里 =60 -滾動(dòng)體直徑，這里 =0.007114mWW -軸向預(yù)緊力，這里 =2900N0aF0aF 故 =282/um3 152 )29074.6sin(.3BKB =a 強(qiáng)力切削 =7.27um 一般切削 =3.72um Ba Ba 精切削 =1.95um 快速進(jìn)給 =0.18um 4)螺母剛度 H 24 取 =1000N/um Hk aKF 強(qiáng)力切削 =2.05um 一般切削 =1.05um H H 精切削 =0.55um 快速進(jìn)給 =0.05um 5)絲杠系統(tǒng)總位移 由 = + + + 則maxsFCBaH 強(qiáng)力切削 =17.65um 一般切削 =9.04um 精切削 =4.7um 快速進(jìn)給 =0.43um 6）定位精度 F-F 型支承方式的 在絲杠的中間，應(yīng)驗(yàn)算此處的定位精度maxsF 1.2.3 級(jí)精度的絲杠在任意 300mm，行程變動(dòng)量為 6um,8um,12um.若取 2 級(jí) 精度 精切削時(shí)總誤差為（4.74+8）=12.74um,滿足切削 0.015/300mm 的要求 快速進(jìn)給時(shí)的總誤差（0.43+8）=8.43um，滿足切削 0.015/300mm 的要求 （5）拉壓振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 1）軸的拉壓總剛度 F-F 型支承方式的拉壓總剛度 按下式計(jì)算eK )102584127(141 HCBaSeK mN =307.6emN 2)軸向拉壓振動(dòng)的固有頻率 SW =1736r/s=104174r/miS108.96.3733Ke 25 n600r/min 3) 扭轉(zhuǎn)剛度 扭轉(zhuǎn)剛度 按下式計(jì)算TK =9126.8N.m/r14073.584.72LdT 工作臺(tái)與工件的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量力 .=0.00006.22)5.(89)(hWpJ324smsLd 取絲杠中經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 md = =37.37mmmd297.5 則 = .SJ37804.10.24 4)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 WT = =TW)//(JszwK )3/029.4.06./(8912 =3050.69r/s =183041.6652r/min600r/min 2.3.3 橫向滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算 以下公式參考自實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 已知條件： 工作臺(tái)重量 =60KG=600N 工件及夾具最大重量 =200N 工作臺(tái)1W2W 26 最大行程 =1000mm 工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為 u=0.05 快速進(jìn)給速度LK =1.2m/min 定位精度為 15um/300mm,全行程 25um,重復(fù)定位精度axV 為 10um 要求壽命為 10000 小時(shí)（單班制工作十年） 。絲杠螺母副材料硬 度 50-60HRC，工作溫度小于 100，溫升 =4，可靠性要求 96%，采用t 雙推-雙推（F-F）支承組合方式，運(yùn)轉(zhuǎn)一般。 各種切削方式的縱向切削力 Fa,速度 V 和時(shí)間比例 q 及其他見下表 表二 各種切削方式的縱向切削力 Fa,速度 V 和時(shí)間比例 q 切削方 式 縱向切削 力 Pxi(N) 垂向切削 力 Pzi(N) 進(jìn)給速度 Vi(m/min) 工作時(shí)間百 分比 % 絲杠軸向載 荷 (N) 絲杠轉(zhuǎn) 速 r/min 強(qiáng)力切 削 2000 1200 0.6 10 2200 60 一般切 削 1000 500 0.8 30 1150 80 精切削 500 200 1 50 620 100 快速進(jìn) 給 0 0 2.4 5 1000 375 27 FZD405-3P 圖 2-5 進(jìn)給用滾珠絲杠裝配圖 （1）計(jì)算負(fù)荷與轉(zhuǎn)速 導(dǎo)軌摩擦力: = =0.05(600+200)=40NfFW 不計(jì)重負(fù)荷引起的導(dǎo)軌摩擦力，絲杠軸向負(fù)荷分別為： 強(qiáng)力切削：2040；一般切削：1040；精切削：540；快速進(jìn)給：40 伺服電機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速： =1500r/minmaxn 絲杠轉(zhuǎn)速： =600r/min5.210Sn 絲杠導(dǎo)程 ： =2mm 表 3.7-21 得 5mmPh6Ph 絲杠轉(zhuǎn)速: Vinp 由上表查的 =0.6m/min, =0.8m/min, =1m/min, =1.2m/min1v2v3v4v 代入得 120r/min， 160r/min， 200r/min， 240r/min nnnn 等效轉(zhuǎn)速： 10104321 ttttm 數(shù)據(jù)代入得 172r/minn 等效載荷 28 3 434323211 1010100 mmmmm ntFntFntFntF 帶入數(shù)據(jù)得 999.3N （2）初選滾珠絲杠副 由公式實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) （3.724）知6 )(01wkahtmaKfFCnL 查實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)表（3.751）表（3.754） 得 tf1， hf1， af 1， kf0.53， wf=1.3， hL10000h 代入數(shù)據(jù)可求得 11497.14N=11.4KNc 初選絲杠為內(nèi)循環(huán)，浮動(dòng)反相器，雙螺母墊片預(yù)緊。公稱直徑 d0=40mm,基 本導(dǎo)程 =5mm。滾珠直徑 =3.5,5 列。型號(hào)為 FFZD40*5-5,查實(shí)用PhWD 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)表 3.7-61 序號(hào) 8，額定動(dòng)載荷 =22KN 大于算出的ac （11.4KN） ，預(yù)緊力 =0.25 =915N，大于最大軸得載荷 2050N 的acPFmax 1/3，這種絲杠是可用的。 絲杠的螺紋部分長度 ； 等于工作臺(tái)最大行程 （1000mm）加螺紋長ul LK 度 L（110mm）加兩端導(dǎo)程 (20mm).eL =1000+110+2*20=1150mmul 支承跨距 ，應(yīng)大于 ，取 =1300mm1ul1 絲杠全長 L=1400mm F-F 支承方式的絲杠一般不會(huì)受壓縮力作用，可不效和壓桿的穩(wěn)定性。 絲杠彎曲振動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速 查實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)表 3.7-37 得 f=4.73 29 式中 = -1.22 =0.03573m2d0WD 臨界轉(zhuǎn)速的支承距離 =1200mm=1.2m2ueKClLlL 計(jì)算得 5501.3r/mincrn crmax (3)預(yù)拉伸計(jì)算 1） 溫升引起是我伸長量 ,溫升為 4，則螺紋部分伸長量為：t =a = =50.6umthul15.4016 絲杠全長的伸長量 為t a =57.2umt 3.61l 為此絲杠的目標(biāo)行程可定為比公稱行程小 0.02/1.30mm，絲杠在安裝時(shí)，進(jìn) 行預(yù)拉伸，拉伸量 為 0.05mm 拉伸方式可參看實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)圖0 3.7-26 2）預(yù)拉伸力 tF 根據(jù)材料力學(xué)歐拉公式 =3924.58N2050/315. 10.20341050 utlAE （4）軸承的選擇 采用成對(duì)較 60接觸角推力角接觸球軸承為固定端，軸承型號(hào) 7603020TVP，查表 3.7-39，其尺寸參數(shù)為：d=20mm,D=52mm,B=15mm,Z=13, =7.144mm,技術(shù)參數(shù)為：C=24500N, =45500N, =2800r/min,預(yù)加WD0Cmaxn 負(fù)荷 =2900N。PF 30 ?。╊A(yù)負(fù)荷 軸承的預(yù)負(fù)荷不應(yīng)小于軸承最大載荷的 1/3，絲杠兩端固定，故軸承的最大 載荷等于預(yù)拉伸力 加最大外載荷的一半。tF =4949.58N,故符合要求。20518.39421maxFt 2）疲勞壽命計(jì)算 軸承要求的動(dòng)負(fù)荷可按式 3.8-2 計(jì)算nNFhCfK1 考慮到數(shù)控機(jī)床本身特點(diǎn)，上式中系數(shù) ， ， ， 均取 1fK1Nnk 進(jìn)給力的方向是可變的，軸承負(fù)荷，可能是 P= ,也可能是 ,mFmtFP2 兩者機(jī)會(huì)均等，故取其平均值 P= t 當(dāng)量轉(zhuǎn)速 172R/min,故 =0.58mnnf 壽命為 10000h ,則 =2.71hf =18337.26N58.3924.071C 可以看出，7603020TVP 型軸承額定動(dòng)載荷 24500 N 符合。 (5)定位精度驗(yàn)算 1）絲杠在拉壓負(fù)荷下的最大強(qiáng)性變形 根據(jù)公式 3.7-34maxsF =0.003612 661max 0.034.4104sFAEL aFm =278N/asFaSK03.mxm 強(qiáng)力切削 =7.38um 一般切削 =3.78umas maxsF 31 精切削 =1.98um 快進(jìn)切削 =0.18ummaxsF maxsF 2)滾珠絲杠與螺母間的接觸變形 CCaK FFZD40*5-5 滾珠絲杠的 =2150N/umCK 強(qiáng)力切削 =0.95um