畢業(yè)設計任務書 第 1 頁 共 3 頁畢業(yè)設計任務書姓名 專業(yè) 數控技術 姓名 類別畢業(yè)生學號 班級 指導教師 職稱 講師 外聘、 √ 本校一、畢業(yè)設計題目CA6140 車床數控化改造二、畢業(yè)設計提供的原始數據資料隨前科學技術的迅速發(fā)展，數控技術的應用范圍日益擴太，數控機床及其系統(tǒng)已成為機械制造業(yè)中不可缺少的組成部分。我國在普及應用數控技術方近年來取得了根大的進展，但鑒于我國機床擁訂量大工業(yè)規(guī)模小的特點，突出的任務是用較少的資金迅述改變機械工業(yè)落后生產面貌，使之盡可能地提高自動化程度，提高加工質量，減輕勞功強度，而實現這一任務的有效的途徑就是普及應用經濟型數控機床。并對原有機床進行數控改造。目前，在機械加工企業(yè)中，有許多舊式普通機床，為了機床適應小批量、多品種、復雜零件的加工充分利用普通機床，就需要對普通機床進行機電一體化改造。用數控技術對CA6140 車床進行改裝，不僅可提高機床精度，提高生產率，大大減輕工人的勞動強度。減少對工夾具的投資和數量，而且適合我國國情。三、畢業(yè)設計應完成主要內容：1、畢業(yè)設計說明書：（1）CA6140 床數控化改造總體機械部件設計。（2）主要部件的設計和選用（3）數控系統(tǒng)選型（4）電氣系統(tǒng)的設計 2、畢業(yè)設計圖紙：（1）總體設計完整、圖紙表達清晰；（2）完成機床外觀圖； (A0)（3 ） 縱向進給系統(tǒng)裝配圖；(A0)（4 ） 橫向進給系統(tǒng)裝配圖；(A0)（5 ） 齒輪；（A3）（6 ） 中間軸；（A3）四、畢業(yè)生應提交的畢業(yè)設計資料要求1、畢業(yè)設計說明書：（1）畢業(yè)設計說明書必須打印成冊；（2）按太原理工大學陽泉學院畢業(yè)設計說明書撰寫規(guī)范畢業(yè)設計任務書 第 2 頁 共 3 頁（3）說明書正文 10000 字（4）說明書按要求內容填寫完備（5）同時提交電子文檔；（6）電子文檔的格式是：①說明書必須是 Word．DOC 和 EXCEL．Xls②圖紙?zhí)峤坏碾娮游臋n資料必須是 AUTOCAD．dwg 的格式。（7）郵箱地址（ E-Mail）：461400054@qq.com2、畢業(yè)設計圖紙：（1）總體設計完整、圖紙表達清晰；（2）完成機床外觀圖； (A0)（3 ） 縱向進給系統(tǒng)裝配圖；(A0)（4 ） 橫向進給系統(tǒng)裝配圖；(A0)（5 ） 齒輪；（A3）（6 ） 中間軸；（A3）五、設計進度安排（從第二周起）序號 時間 周次 設計任務完成的內容及質量要求1 3 月 5 日~3 月 11 日 第 2 周 查閱資料，了解設備的工作機理及加工技術2 3 月 12 日~3 月 18 日 第 3 周 編寫開題報告3 3 月 19 日~3 月 25 日 第 4 周 制定總體設計方案4 3 月 26 日~4 月 1 日 第 5 周 主要部件的設計和選用5 4 月 2 日~4 月 8 日 第 6 周 進給系統(tǒng)設計6 4 月 9 日~4 月 15 日 第 7 周 步進電機選型7 4 月 16 日~4 月 22 日 第 8 周 數控系統(tǒng)選型8 4 月 23 日~4 月 29 日 第 9 周 總裝圖繪制9 4 月 30 日~5 月 6 日 第 10 周 編寫設計算說明書10 5 月 7 日~5 月 11 日 第 11 周 打印和裝訂11 5 月 12 日~5 月 19 日 第 12 周 教師評閱和開始答辯六、主要參考文獻資料1、參考資料：[1] 太原理工大學機械工程學院．數控機床課程設計指導書，內部資料[2] 吳宗澤 .機械零件設計手冊.機械工業(yè)出版社，2003 年[3] 機械設計手冊編委會. 機械設計手冊.第三版.機械工業(yè)出版社， 2004 年[4] 常興、田勇、劉國峰. 普通車床數控化改造及其設計計算.現代制造工程.2005 年第 8 期畢業(yè)設計任務書 第 3 頁 共 3 頁[5] 于濤、袁國久. C6132 普通車床的數控改造.北華大學學報.2005 年 4 月第 6 卷第2 期[6] 趙松年、張奇鵬.機電一體化機械系統(tǒng)設計 [M].上海：同濟大學出版社，1990[7] 黃家善 .計算機數控技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004[8] 李善術 .數控機床及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001[9] 國家教委高等教育司、北京市教育委員會編.高等學校畢業(yè)設計（論文）指導手冊[M].北京：高等教育出版社，1998[10] 尹志強.機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書 [M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2007七、簽字欄簽 字 欄姓名 專業(yè) 班級畢業(yè)生 要求設計工作起止日期 2013 年 3 月 4 日~~~2013 年 5 月 8 日指導教師（簽字） 日期 200 年 月 日教研室主任審查（簽字） 日期 200 年 月 日教師審核系主任批準（簽字） 日期 200 年 月 日I畢 業(yè) 設 計 說 明 書畢業(yè)生姓名 ：專業(yè) ：學號 ：指導教師 :所屬系（部） ：年五月I畢業(yè)設計評閱書題目：CA6140 普通車床數控化改造 機械電子工程 系 數控技術 專業(yè) 姓名 設計時間： 年 3 月 11 日~2013 年 5 月 12 日評閱意見：成績：指導教師： （簽字）職 務： 201 年 月 日II畢業(yè)設計答辯記錄卡機械電子工程 系 數控技術 專業(yè) 姓名 答 辯 內 容問 題 摘 要 評 議 情 況記錄員： （簽名）成 績 評 定指導教師評定成績 答辯組評定成績 綜合成績注：評定成績?yōu)?100 分制，指導教師為 30%，答辯組為 70%。專業(yè)答辯組組長： （簽名）201 年 月 日CA6140 普通車床數控化改造摘 要隨著科學技術的迅猛發(fā)展，衡量一個國家機械制造工業(yè)水平的重要標志是數控機床。我國普通機床擁有量大，生產規(guī)模小的具體國情，需要采用經濟型數控系統(tǒng)對普通機床進行數控化改造。機電一體化技術涉及電子、機械、以及控制等多門學科，是衡量一個國家機械裝備發(fā)展水平的重要標志，是現代工業(yè)最主要的基礎技術和核心技術之一。雖然這門學科還正處于發(fā)展階段，許多理論還處于研究和完善階段，但是它代表著機械工業(yè)技術革命的前沿方向，更是綜合國力的又一具體體現。因此，我們應該重視該學科的研究，大力發(fā)展這門學科，逐漸縮小與日美等發(fā)達國家的差距。本次設計是對 CA6140 普通車床的數控化改造。我設計時先對數控機床系統(tǒng)進行了總體設計，然后對進給系統(tǒng)、齒輪箱傳動比及步進電機進行了計算，最后我對電氣系統(tǒng)進行了設計。在國內，盛行普通車床改造成數控車床，此設計就是針對著這以目的而設計的，這縮短了工業(yè)化的進程，降低了生產成本，同時為廣大的生產廠家所接受。關鍵詞：數控改造 ;數控 ;步進電動機 目 錄1 緒論 12 數控機床系統(tǒng)總體設計 22.1 總體方案設計內容 .22.2 總體方案確定 .33 進給系統(tǒng)設 計計算 .43.1 選擇脈沖當量 .43.2 計算切削力 .43.3 滾珠絲杠 螺母副的計算和選型 .54 齒輪進給齒輪箱傳動比計算 .134.1 縱向進給齒輪箱傳動比計算 134.2 橫向進給齒輪箱傳動比計算 135 步進電機的計算和選型 .145.1 縱向進給步進電機計算 145.2 橫向進給步進電機計算和選型 186.CA6140 車床數控化改造的數控系統(tǒng) 216.1 數控系統(tǒng)選型.216.2 步進電動機的驅動器選型.246.3 驅動器信號輸入輸 出.297.CA6140 電氣系統(tǒng)數控改造設計 327.1 概述.327.2 電氣系統(tǒng)數控改造設計.327.3 強電柜的安裝與連接 .33總結 .34參考文獻 35致謝 .3611 緒論我國的大多數企業(yè)的生產和制造行業(yè)、加工裝備絕大數是傳統(tǒng)的機床，用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量差、檔次低、品種少、成本高、供貨期長，從而在國內、國際市場上缺乏競爭力，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以普通車床的數控改裝已成必然。近年來我國企業(yè)的數控機床占有率逐年上升，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用，在大中企業(yè)己有較多的使用。在以上數控機床中，除少量機床以 FMS 模式集成使用外，大多數處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。2001 年，我國機床工業(yè)產值己進入世界第 5 名，機床消費額在世界排名上升到第3 位，達 47. 39 億美元，這僅次于美國的 53. 67 億美元，消費額比上一年增長 25%。但由于國產數控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001 年進口機床躍升至世界第 2 位，達 24. 06 億美元，比上年增長 27. 3% ，我國很有必要進行數控化改造。在日本、美國和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經濟增長行業(yè)，生意盎然，處在黃金時代。由于機床以及技術的不斷進步，機床改造將是個“永恒“的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數控技術為主的新的行業(yè)。在日本、美國、德國，用數控技術改造機床和生產線具有廣闊的市場，已形成了生產線和機床數控改造的新的行業(yè)。企業(yè)要在當前市場競爭激烈，需求多變的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產品，以最好的質量、最低價格、最短的時間去滿足市場需求的不斷變化。而普通機床已不適應小批量、多品種的生產要求，數控機床則綜合了微電子技術、數控技術、自動檢測技術等先進技術，最適宜加工高精度、小批量、形狀復雜、生產周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要換零件加工程序，不需對機床作任何調整，因此能很好地滿足產品頻繁變化的加工要求。普通車床經過多次大修后，其零部件相互連接尺寸會發(fā)生較大變化，主要傳動零件幾經更換和調整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達到大修驗收標準，而且費用較高。數控機床在機械加工行業(yè)中的應用逐漸廣泛。數控機床的發(fā)展，一方面是高性能、全功能；另一方面是簡單實用的經濟型數控機床，具有自動加工的基本功能，操作維修方便。經濟型數控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進控制系統(tǒng)，功率步進電機為驅動元件，無需檢測反饋機構，系統(tǒng)的定位精度一般可達±0.0~0.02mm，已能滿足 CA6140 車床改造后加2工零件的精度要求。與普通機床相比，數控機床具有以下的優(yōu)點：一是適應性強，適合加工單件或小批量的復雜工件；二是生產效率高；三是加工精度高；四是經濟效益好；五是減輕勞動強13度，改善勞動條件；六是有利于生產管理的現代化。在國內工廠的技術改造中，機床的微機數控化改造已成為重要內容。許多工廠一面購置數控機床，一面利用數控、數顯、PC 技術改造普通機床，并取得了良好的經濟效益。 2 數控機床系統(tǒng)總體設計2.1 總體方案設計內容接到一個數控裝置的設計任務以后，首先必須擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設計結構和參數，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設計。機床數控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內容：系統(tǒng)運動方式的確定、執(zhí)行機構的確定、伺服系統(tǒng)的選擇及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內容。一般應根據設計任務和要求提出數個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。2.1.1 系統(tǒng)運動方式的確定數控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。2.1.2 控制方式的選擇系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。經濟型數控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測反饋裝置，數控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部件的實際位置不做檢測，所以機床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反應迅速，調試和維修都比較簡單。42.2 總體方案確定2.2.1 系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經濟型數控機床應具備定位，直線插補，順、逆圓弧插補，循環(huán)加工，暫停，公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]達到屬于經濟型數控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。2.2.2 機械傳動方式為實現機床所要求的分辨率，采用步進電機經齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定的平穩(wěn)性和傳動精度，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為消除間隙和提高傳動剛度，采用預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結構。系統(tǒng)總體方案框如圖 2-1：圖 2-1 系統(tǒng)總體方案框圖53 進給系統(tǒng)設計計算3.1 選擇脈沖當量脈沖當量是衡量數控機床加工精度的一個基本技術參數。經濟型數控車床、銑床常采用的脈沖當量是 0.01~0.005mm/step。根據機床精度要求確定脈沖當量：縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005mm/step(半徑)3.2 計算切削力用車床經驗公式 F = D 來計算主切削力z67.05.1max式中 D 指車床身上最大加工直徑（mm） 。橫切端面時主切削力 可取縱切時 F 的max zF?z1/2。求出主切削里 F 以后再按以下比例分別求出分力 F 和 F 。z zyF ： F ：F =1 ：0.25 ：0.5zxy式中 F ：指走刀方向的切削力（ N） ；F ：指垂直走刀方向的切削力（ N） 。y圖 3-1 縱切和橫切時切削力的示意圖。圖 3-1 縱切和橫切時切削力的示意圖63.2.1 縱車外圓主切削力 F (N)按經驗公式估計算：zF = D = （N）z67.05.1max1.54036??按切削力各分力比例：F ：F ：F =1 ：0.25 ：0.4zxyF （N）5360.21340??F （N）y3.2.2 橫切端面主切削力 （N）可取縱切的 1/2。 zF?（N）1 2680?（N）x?.57?（N）yF413.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型3.3.1 縱向進給絲杠3.3.1.1 計算進給軸向力 F （N）m縱向進給這里為三角形導軌：F )(GFfkzx???式中 K：指顛覆力矩影響的實驗系數，綜合導軌取 K=1.15；：指滑動導軌摩擦系數取 0.15~0.18 之間的值；f?7G：指流板及刀架重力，G=1000N。則 F = （N）m1.5340.16(50)258.6???3.3.1.2 計算最大動負載 Q考慮滾珠絲杠在運轉過程中沖擊擾動對壽命的影響，則最大動負載 Q 的計算公式為：Q mwFfL3?L 610Tn?n 0vs式中 ：指滾珠絲杠導程，初選 =6；0L0Ln：指絲杠轉速， （r/min） ；：指最大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的sv1/2~1/3，此處取 =0.6 ；sm：指使用壽命時間（h）,對于數控機床取 T=15000h.。TL：指壽命，以 10 轉為一單位；6：指運動系數，見表 3-1，選 =1.2。wf wf表 3-1 運轉系數運轉狀態(tài) 運轉系數無沖擊運轉 1.0~1.2一般運轉 1.2~1.5有沖擊運轉 1.5`-~2.5則 n ( r/min)01.605svL???L 6614TQ （N ）3345.28.092.8wmfF???83.3.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應的動負載 C 的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結構類型，選用時應滿足 Q C 的條件。?查表：可采用 W L4006 外循環(huán)調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5 圈 1 列，其額定動1負載為 16400N，符合 Q C 的條件。精度等級按表 3-2，選為 3 級。?表 3-2 滾珠絲杠行程公差精度等級項目 符號有效行程（ mm）uL 1 2 3 4 5315?6 8 12 16 23315~400 7 9 13 18 25400~500 8 10 15 20 27目標行程公差e p500~630 9 11 16 22 30315?6 8 12 16 23315~400 6 8 12 17 25400~500 7 10 13 19 26行程變動量公差V mp500~630 7 11 14 21 29任意 300 mm 內行程變動量V p30 6 8 12 16 232 弧度內?行程變動量V p 2? 4 5 6 7 83.3.1.4 傳動效率計算tan()?????式中 ：指螺旋升角， =2 44?'：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數 其摩擦角? ,04.~3.?f ?9，約等于 。arctnf?01?則 0tatan24 .9()(1)????????3.3.1.5 剛度驗算先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖 3-2 所示，最大軸向力為 2558.6N，支承間距 L=1500mm, 絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的 1/3。圖 3-2 縱向進給系統(tǒng)計算簡圖（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量 （mm）1?查圖，根據 F = mm, m258.6N40?D查出 ,可算出 0l1./???L? m109.5210l ???L?由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高四倍，其變形量 為： 。??1? 2-11.4???(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 （mm）2?查圖，W 系列 1 列 2.5 圈滾珠與螺紋滾道接觸變形量 μm，因進行了預緊，4.6?Q?μm。2.312?Q?(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變 （mm）3?10這里采用有預緊時的推力球軸承則 32431076. pwmFZD????查《機械設計手冊》中表 6-2-82，采用 51107 型推力球軸承，其 =35mm,1d滾動體直徑 =6.35mm, 滾動體數量 Z=18，qd??22m33c 5.80.40.4z61QF??????3-06.7因施加預緊力，故 3-c3.?根據以上計算 =定位精度???321? 015.92.108.2.105. 3-3-3- ?????3.3.1.6 穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產生失穩(wěn)現象，故不需作穩(wěn)定性校核。3.3.2 橫向進給絲杠3.3.2.1 計算進給軸向力 mF?橫向導軌為燕尾形，計算如下：??m)2(GFfkyzx????由于是燕尾形導軌式中： K=1.4， =0.2?則 N1.4670.2(81076)03mF?????3.3.2.2 計算最大動負載 Qn ( r/min)01.305svL???L 66127TQ （N）3327.038wmfF????查表：可采用 W L2505 外循環(huán)調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5 圈 1 列，其額定動111負載為 9700N，符合 Q C 的條件。精度等級按表 2—滾珠絲杠行程公差表，選為 3 級。?3.3.2.3 傳動效率計算 0anta39 .65()(1)t????????3.3.2.4 剛度驗算橫向進給滾珠絲杠支承方式如圖 3-3 所示，最大軸向力為 2023N，支承間距 L=450mm, 因絲杠長度較短，不需要預緊。圖 3-3 橫向進給系統(tǒng)計算簡圖計算如下：(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量 （mm）1?查圖，根據 F = mm, m203N20?D查出 ,可算出 。50l1/???L? m1089.45210l ??L?(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 （mm）2查圖，W 系列 1 列 2.5 圈滾珠與螺紋滾道接觸變形量 μm，因進行了預緊，5.8?Q?μm。25.412?Q?(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變 （mm）3?12這里采用有預緊時的推力球軸承則 32431076. pwmFZD????查《機械設計手冊》中表 6-2-82，采用 51102 型推力球軸承，其 d=15mm,滾動體直徑 =4.763 mm, 滾動體數量 Z=12，qd，考慮到進行了預緊，故??22m33c 0.0.4.4.094z761QF????? ?mm7.1c3則定位誤差 c21???0.47.30.89?=0.0279 (mm)顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度要求，應該采取相應的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導軌來減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導軌 =0.03~0.05。重新計算如下：f??mF)2(GFfkyzx????N15)601726804.7.1???根據 ，查圖知 ， ， ， 不變，N5m? 5l./??L? m018.40l?L? 2?3則 (mm) 定位精度為 0.015mm，故此321???? .98.4.30.?? ?變形量仍不能滿足要求，如果經滾珠絲杠再經過預拉伸，剛度還可以提高四倍，則變形量 0.015 ，滿足要求。0170.18.44321 ??3.3.2.5 穩(wěn)定性校核臨界負載 與工作負載 之比稱為穩(wěn)定性系數 ，如果 ，則壓桿穩(wěn)kFmF? knmkF????n?定， 為許用穩(wěn)定性安全系數，一般 =2.5~4。??kn??kn計算臨界負載 （N）： kF2fLEIzk??13式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼 E （N/mm ） ；4106.2??2I：指截面慣性矩（mm ）,絲杠截面慣性矩 J （ 為絲杠螺紋的底徑） ；4 41d?：絲杠兩支承端距離（cm） ；l：絲杠支承方式系數，見表 3-3，這里 。zf ?0.2?表 3-3 滾珠絲杠支承方式系數方式 一端固定一端自由 兩端簡支 一端固定一端簡支 兩端固定?0.25 1.00 2.00 4.00則 N78214456.1306.21.3642421 ?????LdEfFzk?7.803?mkn??kn?所以此絲杠不會產生失穩(wěn)。3.3.3 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數其幾何參數見表 3-4：表 3-4 W L5008 及 W L2506 滾珠絲杠幾何參數11名稱 符號W L40061W L25051公稱直徑 0D40 25導程 L6 5接觸角 ?024?0329?鋼球直徑 bd3.969 3.175滾道法面半徑 Rbd52.0?2.064 1.651偏心距 e?sin)/(?0.056 0.045螺 紋 滾 道螺紋升角 ?0DLarctg?024?0329?螺桿絲杠外徑 dbd)5.~2(?39 24.36514絲杠內徑 1dReD201???35.984 21.78螺桿接觸直徑 z ?cosbzd36.035 21.86螺母螺紋直徑 044.016 23.212螺 母螺母內徑 1 b)25.~(1??40.793 20.6354 齒輪進給齒輪箱傳動比計算4.1 縱向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量 ，滾珠絲杠導程 ，初選步進電機步距角01.?p?06Lm?，可計算出傳動比 ：?75.0?b?2i12i0.7561.236bpL???在閉式軟齒面齒輪傳動中，齒輪的彎曲強度總是足夠的，因此齒數可取多些，推薦取 Z=24~40。所以可選定齒輪數為：12i403Z?4.2 橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量 ，滾珠絲杠導程 ，初選步進電機步距角05.?p?05Lm?，可計算出傳動比 ：?75.0?b?12i12i0.75.08336bpL??可選定齒輪數為： = =12i34Z205?因進給運動齒輪受力不大，模數 m 取 3。有關參數參照表 4-1。表 4-1 傳動齒輪幾何參數所處位置 縱 向 橫 向15齒數 32 40 24 40 20 25分度圓直徑 mzd?96 120 72 120 60 75齒頂圓直徑 a2?102 126 78 126 66 81齒根圓直徑 f 5.1??88.5 112.5 64.5 112.5 52.5 67.5齒寬 （6~10）m 24 20 24 20 24中心距 )(221ZA??108 96 67.55 步進電機的計算和選型5.1 縱向進給步進電機計算5.1.1 等效轉動慣量計算傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量 可由下式計算：2()Jkgcm???????????? 2021()(?LWZJsM式中 ：指步進電機轉子轉動慣量 ；MJ )kgc?、 ：指齒輪 、 的轉動慣量 ；12122(m：指滾珠絲杠轉動慣量 ；sJ2()kc?：指工件及工作臺重量（ N） ；W：指絲杠導程（ ） ；0Lcm參考同類型機床，初選反應式步進電機 150BF，其轉子轉動慣量 。210MJkgcm??（ 分別表示齒輪 的分度圓直徑和齒寬）dJ???3178. L和 2Z409.622.()kgcm??（ 分別表示齒輪 的分度圓直徑和齒寬）J?32.和 14781??2.39()kc?16（ 分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距）dLJs???31078.和45229.()kgcm??把這些數據代入上式： ????????? 2021)()(?LgWJZJsM231.610.6().9.5)()49.8??2.75kgcm?5.1.2 電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按個階段計算：5.1.2.1 快速空載起動力矩 起M在快速空載起動階段，加速度所占的比例較大，具體計算公式如下：0maxMf??起22axmaxax 10166nnJJtt?????????????30maxabpn?????iGLFMf?2)1(200???ip以上式中 ：指空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩（ ） ；max Ncm?：指折算到電機軸上的摩擦力矩（ ） ；fMc?：指絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（ ） ；0 c?17：指傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量 ；?J 2()kgcm?：指電機最大角加速度（ ） ；? 2/srad：指電機最大轉速（ ） ；maxnmin：指運動部件最大進給速度（ ） ；? i/：指脈沖當量（ ） ；p?step/：指步進電機步距角（ ） ；b?dg：指運動部件從停止起動到最大快進速度所需時間（s） ，這里是 30ms；at：指導程的摩擦力（N） ， ；0F)(0WFfz???：指垂直方向的切削力（N） ；z：指工件及工作臺重量（ N） ；W：指導軌摩擦系數， ；f? 18.0~5.??f：指運動部件的總重量（ N） ；G：指齒輪降速比；按 計算；i 12Zi：指傳動鏈總效率，一般可取 ；?85.0~7??：指滾珠絲杠預加負載，一般取 /3， 為進給軸向力（N） ；pFmF：指滾珠絲杠導程；0L：指滾珠絲杠未加預緊時的傳動效率，一般取 。? 9.0??將以前計算所得數據代入：max0024.75(/min)36.136bpnr???????（ ）2 2axax .10543.8.nMJt??? ??? ??Ncm?（ ）0021().6(53).6972/.8zfFLfWLGiZ????????18)1(2200????iLFMp（ ）2 2021/3/358.60()(1.9)5.mZ?????Ncm?則 （ ）ax0.7.48.fM???起 ?5.1.2.2 快速移動時所需力矩 快（ ）09715.2.f???快 Ncm?5.1.2.3 最大切削負載時所需力矩 切MtfM??0切（ ）0 1340.6975. 2412285xfFLi???????Ncm?從上面計算可以看出， 、 和 三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，起 快M切以此項作為初選步進電機的依據。由表 5-1 得：當步進電機為三相六拍時， ，則max/0.951qj??（N ） 。max7480951jM?表 5-1 步進電機起動轉距 與最大靜轉距 關系qMmaxj相 數 三 相 四 相 五 相 六 相步進電機 拍 數 3 6 4 8 5 10 6 12max/jqM??0.5 0.866 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866按此最大靜轉距從表中查出，150BF002 型最大靜轉距為 13.72 ，大于所需最大MN?靜轉距，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運動矩頻特性。195.1.2 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 max1002.461kpf Hz?????fpse 0.60可查出 150BF002 型步進電機允許的最高空載啟動頻率為 2800 運行頻率為 8000Hz，再從圖 5-1 查出 150BF002 步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。從圖中看出，Hz當步進電機起動時， 遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動,250Hzf?起 10MNcm?力矩（748.8 ） ，直接使用則會出現失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現） ，Ncm?半起動頻率降到 1000 ，起動力矩可提高到 588.4 ，然后在電路上再采用高低壓z ?驅動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，150BF002 型步進電機運行矩頻則完全可以滿足要求。圖 5-1 150BF002 型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性5.2 橫向進給步進電機計算和選型5.2.1 等效轉動慣量計算傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量 可由下式計算：2()Jkgcm??2034110.78JdL???340.78.2???2.19()kgcm??22 3343.J?34.6?2.0()kc?440781dL??0781.52??7gm?3.sJDl??34.? 2.6()kc?把這些數據代入上式： ??22230124+()())()M sZLZGJJJg??? ???????? ?????? ???2 224060.54.719()3.19+.().9+()058?? ????? ?? ?????? ?22.6kgcm?5.2.2 電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按個階段計算：5.2.2.1 快速空載起動力矩 起Mmax120.750(/min)36.36bpn r?????????（ ）2 2axax .41394.0.5nJt??? ??? ??Ncm?（ ）'00().16(80)7822.zfFLfGLMii????????' 20(1)mi??（ ）' 2 20/3/30.5()(1.9)08FLi???????Ncm?21則 （ ）max0394.1.780.246.9fM?????起 Ncm?5.2.2.2 快速移動時所需力矩 快M（ ）041.78.251.98f???快 Nc?5.2.2.3 最大切削負載時所需力矩 切tfM??0切（ ）'0 670.41.78.215.9282xfFLi???????Ncm?從上面計算可以看出， 、 和 三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，起 快 切以此項作為初選步進電機的依據。由表 5-1 得：當步進電機為三相六拍時， ，max/0.86qjM??則 （ ） 。max471.68.0jM?Ncm?按此最大靜轉距從表中查出，110BF003 型最大靜轉距為 7.84 ，大于所需最大靜N?轉距，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運動矩頻特性。5.2.3 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 max1001.2465kpf Hz?????.3sepf可查出 110BF003 型步進電機允許的最高空載啟動頻率為 1500 運行頻率為 7000z，不能滿足 （4000Hz ）的要求。再從圖 5-2 查出 110BF002 步進電機起動矩頻特性Hzkf和運行矩頻特性。不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（446.92 ） ，直接使用則Ncm?會出現失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現） ，半起動頻率降到 1000 ，起動Hz力矩可提高到 400 ，然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可以將步進電機輸出Ncm?22力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，110BF003 型步進電機運行矩頻則完全可以滿足要求。圖 5-2 110BF003 型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性6 CA6140 車床數控化改造的數控系統(tǒng)6.1 數控系統(tǒng)選型數控系統(tǒng)是機床的核心，在選擇時要對其性能、經濟性及維修服務等進行綜合考慮。數控系統(tǒng)主要有3種類型：步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)；異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數控系統(tǒng)；交，直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數控系統(tǒng)。 其中步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機等。由數控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅動執(zhí)行部件。該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。但該系統(tǒng)結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。我國國內使用的數控系統(tǒng)基本上分為兩大類：一類是從國外引進技術制造的產品，如日本FANUC公司生產的FANUC-0iMate、德國西門子公司的SINUMERIKDMT-802系列；另外一類是在引進、吸收的基礎上研制、開發(fā)、生產的數控裝置，如華中數控系列，GSK系列，南京華興等。對比國內外數控系統(tǒng)可以發(fā)現：國外產品在性能、可靠性、使用壽命上占有很大優(yōu)勢，但價格很高，使得改造成本提高。國內產品雖然大轉矩、大功率伺服電機23的能力沒有國外產品強大，但也能滿足我們的要求，而且綜合成本低。最終我們將數控系統(tǒng)的選擇定位在國內數控系統(tǒng)上，其中南京華興數控設備有限責任公司生產的WA310M數控系統(tǒng)是一款能滿足以上要求的數控系統(tǒng)，所以我們選擇這款專門為中國數控機床市場而開發(fā)的經濟型CNC控制系統(tǒng)。WA310M 是南京華興數控設備有限責任公司集十多年數控系統(tǒng)開發(fā)經驗，在原有多代成熟產品的基礎上，推出的新一代高性能銑床用數控系統(tǒng)，如圖 6-1 所示。系統(tǒng)采用超大規(guī)模可編程電路方案，具有更高的加工控制品質和系統(tǒng)升級空間。該系統(tǒng)具有強大的控制功能，可控制數字式交流伺服單元和三相細分步進驅動器。系統(tǒng)的電子齒輪功能可與任意螺距絲桿直連，螺距補償功能使機床的精度檢驗大為簡化，并提高機床的綜合精度，強大的參數功能使系統(tǒng)具有很強的適應性。系統(tǒng)可控制數字式交流伺服驅動器及三相細分步進驅動器；系統(tǒng)的電子齒輪功能使得系統(tǒng)可與任意螺距絲杠直聯(lián)；螺距補償功能使機床的精度檢驗大為簡化；顯示采用 7.4 英寸液晶屏彩色顯示，具有加工零件圖形實時跟蹤顯示以及坐標字符顯示的功能，界面設計更為豐富人性化；圖形模擬功能更為強大，具有三維立體模擬和二維平面模擬顯示的功能。系統(tǒng)結構采用整體式工程塑料壓模件，造型美觀；便捷的 U 盤接口，可實現 U 盤與系統(tǒng)間的程序互存，以及系統(tǒng)在現場升級功能和直接進行 U 盤 DNC 加工的功能。圖 6-1 WA310M 數控系統(tǒng)24表 6-1 WA310M 車床數控系統(tǒng)參數WA310M 車床數控系統(tǒng)參數1 適用機床 4 軸車床2 用戶存儲區(qū) 配 512K 電子盤，121 個程序3 編程尺寸 ±99999.999mm4 分辨率 0.001MM5 最大移動速度 60m/min(1MPPS)6 插補軌跡 直線、圓弧、螺紋、快速定位7 輸入/輸出 32 路/24 路，所有 I/0 口功能均有參數定義，用戶可設置、修改I/O 口功能8 編程方式 ISO 代碼、鍵盤、RS232 串行錄入、USB 接口定義9 快速速度范圍 1mm/min ～ 15m/min10 電子齒輪 16 位：16 位11 螺距補償 160 點/軸，2～4 軸12 軟件限位 每軸可任意設定區(qū)間13 參考區(qū) 刀具、系統(tǒng)參數、螺紋、位參數等14 操作方式 自動、手動、步進、MDI、單段/連續(xù)、暫停、手脈、串行或 USB下 DNC 加工15 顯示界面 具有同步字符顯示功能和圖形界面16 系統(tǒng)升級 通過 U 盤或串行口可在現場進行系統(tǒng)升級，無須打開機箱17 進給倍率設置 16 擋撥段開關，倍率范圍 5%～300%18 主軸倍率設置 16 擋撥段開關，倍率范圍 5%～300%19 模態(tài)指示燈 指示當前操作狀態(tài)20 圖形模擬 三維立體和二維平面圖形模擬畢業(yè)設計任務書 第 1 頁 共 3 頁畢業(yè)設計任務書姓名 專業(yè) 數控技術 姓名 類別畢業(yè)生學號 班級 指導教師 職稱 講師 外聘、 √ 本校一、畢業(yè)設計題目CA6140 車床數控化改造二、畢業(yè)設計提供的原始數據資料隨前科學技術的迅速發(fā)展，數控技術的應用范圍日益擴太，數控機床及其系統(tǒng)已成為機械制造業(yè)中不可缺少的組成部分。我國在普及應用數控技術方近年來取得了根大的進展，但鑒于我國機床擁訂量大工業(yè)規(guī)模小的特點，突出的任務是用較少的資金迅述改變機械工業(yè)落后生產面貌，使之盡可能地提高自動化程度，提高加工質量，減輕勞功強度，而實現這一任務的有效的途徑就是普及應用經濟型數控機床。并對原有機床進行數控改造。目前，在機械加工企業(yè)中，有許多舊式普通機床，為了機床適應小批量、多品種、復雜零件的加工充分利用普通機床，就需要對普通機床進行機電一體化改造。用數控技術對CA6140 車床進行改裝，不僅可提高機床精度，提高生產率，大大減輕工人的勞動強度。減少對工夾具的投資和數量，而且適合我國國情。三、畢業(yè)設計應完成主要內容：1、畢業(yè)設計說明書：（1）CA6140 床數控化改造總體機械部件設計。（2）主要部件的設計和選用（3）數控系統(tǒng)選型（4）電氣系統(tǒng)的設計 2、畢業(yè)設計圖紙：（1）總體設計完整、圖紙表達清晰；（2）完成機床外觀圖； (A0)（3 ） 縱向進給系統(tǒng)裝配圖；(A0)（4 ） 橫向進給系統(tǒng)裝配圖；(A0)（5 ） 齒輪；（A3）（6 ） 中間軸；（A3）四、畢業(yè)生應提交的畢業(yè)設計資料要求1、畢業(yè)設計說明書：（1）畢業(yè)設計說明書必須打印成冊；（2）按太原理工大學陽泉學院畢業(yè)設計說明書撰寫規(guī)范畢業(yè)設計任務書 第 2 頁 共 3 頁（3）說明書正文 10000 字（4）說明書按要求內容填寫完備（5）同時提交電子文檔；（6）電子文檔的格式是：①說明書必須是 Word．DOC 和 EXCEL．Xls②圖紙?zhí)峤坏碾娮游臋n資料必須是 AUTOCAD．dwg 的格式。（7）郵箱地址（ E-Mail）：461400054@qq.com2、畢業(yè)設計圖紙：（1）總體設計完整、圖紙表達清晰；（2）完成機床外觀圖； (A0)（3 ） 縱向進給系統(tǒng)裝配圖；(A0)（4 ） 橫向進給系統(tǒng)裝配圖；(A0)（5 ） 齒輪；（A3）（6 ） 中間軸；（A3）五、設計進度安排（從第二周起）序號 時間 周次 設計任務完成的內容及質量要求1 3 月 5 日~3 月 11 日 第 2 周 查閱資料，了解設備的工作機理及加工技術2 3 月 12 日~3 月 18 日 第 3 周 編寫開題報告3 3 月 19 日~3 月 25 日 第 4 周 制定總體設計方案4 3 月 26 日~4 月 1 日 第 5 周 主要部件的設計和選用5 4 月 2 日~4 月 8 日 第 6 周 進給系統(tǒng)設計6 4 月 9 日~4 月 15 日 第 7 周 步進電機選型7 4 月 16 日~4 月 22 日 第 8 周 數控系統(tǒng)選型8 4 月 23 日~4 月 29 日 第 9 周 總裝圖繪制9 4 月 30 日~5 月 6 日 第 10 周 編寫設計算說明書10 5 月 7 日~5 月 11 日 第 11 周 打印和裝訂11 5 月 12 日~5 月 19 日 第 12 周 教師評閱和開始答辯六、主要參考文獻資料1、參考資料：[1] 太原理工大學機械工程學院．數控機床課程設計指導書，內部資料[2] 吳宗澤 .機械零件設計手冊.機械工業(yè)出版社，2003 年[3] 機械設計手冊編委會. 機械設計手冊.第三版.機械工業(yè)出版社， 2004 年[4] 常興、田勇、劉國峰. 普通車床數控化改造及其設計計算.現代制造工程.2005 年第 8 期畢業(yè)設計任務書 第 3 頁 共 3 頁[5] 于濤、袁國久. C6132 普通車床的數控改造.北華大學學報.2005 年 4 月第 6 卷第2 期[6] 趙松年、張奇鵬.機電一體化機械系統(tǒng)設計 [M].上海：同濟大學出版社，1990[7] 黃家善 .計算機數控技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004[8] 李善術 .數控機床及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001[9] 國家教委高等教育司、北京市教育委員會編.高等學校畢業(yè)設計（論文）指導手冊[M].北京：高等教育出版社，1998[10] 尹志強.機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書 [M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2007七、簽字欄簽 字 欄姓名 專業(yè) 班級畢業(yè)生 要求設計工作起止日期 2013 年 3 月 4 日~~~2013 年 5 月 8 日指導教師（簽字） 日期 200 年 月 日教研室主任審查（簽字） 日期 200 年 月 日教師審核系主任批準（簽字） 日期 200 年 月 日