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平原大學(xué)機電工程學(xué)院
目 錄
摘 要...................................................2
關(guān)鍵詞..................................................2
第一章：前言............................................2
一、數(shù)控機床的優(yōu)點....................................3
二、進行數(shù)控改造的必要性..............................3
第二章：設(shè)計任務(wù)........................................4
一、CA6140車床主傳動變速箱結(jié)構(gòu)分析....................4
二、驅(qū)動系統(tǒng)的........................................5
（1）電機的選擇.....................................5
（2）同步帶的選擇和校核.............................7
（3）主軸組件的選擇................................10
三、潤滑系統(tǒng).........................................12
四、數(shù)控系統(tǒng)的改造...................................13
五、結(jié)束語...........................................16
六、參考文獻.........................................16
CA6140車床主軸箱的數(shù)控改造
摘 要
本文主要從CA6140車床主傳動變速箱結(jié)構(gòu)分析，以及主傳動系統(tǒng)、主軸組件設(shè)計、潤滑系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)的改造四個方面對CA6140車床主軸箱的數(shù)控改造。
This text mainly from the CA6140 lather lord spread to move to become a box structure soon analytical, and the lord spread to move system, principal axis module a design, lubricate system and count to control reform of system 4 control a reformation to the number of the CA6140 lather principal axis box.
關(guān)鍵詞：
數(shù)控機床，數(shù)控改造， 主軸箱，步進電動機。
Keywords:
The number controls lather , numerical control reform , the main spindle box , step-by-step electric motor。
第一章 前言
機床作為機械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機技術(shù)的興起，促使機床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進行柔性自動化控制的新一代機床－數(shù)控機床的誕生和發(fā)展。計算機的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實現(xiàn)機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發(fā)展，數(shù)控機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時使人們對傳統(tǒng)的機床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河。
數(shù)控機床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機床控制的機電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機，經(jīng)過譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。
一.數(shù)控機床的優(yōu)點：
1. 適應(yīng)性強，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工。
2. 加工精度高；
3. 生產(chǎn)效率高；
4. 減輕勞動強度，改善勞動條件；
5. 良好的經(jīng)濟效益；
6. 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。
二 .機床進行數(shù)控化改造的必要性
?? ??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。
? 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)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(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。?
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”。
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”。
可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件?在機床間的頻繁搬運。
?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。
??? ?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(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
???? 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(yīng)用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術(shù)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(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)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(shù)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。
?
第二章 設(shè)計任務(wù)
論文（設(shè)計）主要內(nèi)容及主要技術(shù)指標
1.主要內(nèi)容
對CA6140車床主傳動變速箱進行數(shù)控改造。研究內(nèi)容包括CA6140車床頭箱結(jié)構(gòu)分析、步進電機選擇、主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計、齒形帶傳動設(shè)計等。
2.技術(shù)指標
（1）主軸調(diào)速范圍：0～2000r/min；
（2）步進電機開環(huán)控制。
對于普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計方案時，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計要求的前提下，對機床的改動應(yīng)盡可能少，以降低成本。
一、CA6140車床主傳動變速箱結(jié)構(gòu)分析
主軸箱的結(jié)構(gòu)分析
????機床主軸箱是一個比較復(fù)雜的傳動件.表達主軸箱各傳動件的結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系時常用展開圖.展開圖基本上 是按各傳動鏈傳遞運動的先后順序,沿軸心線剖開,并展開在一個平面上的裝配圖(如圖1) ：
1——花鍵套；2——帶輪；3——法蘭；4——箱體；5——鋼球；6——齒輪；7——銷；8、9——螺母；10——齒輪；11——滑套；12——元寶銷；13——制動盤；14——制動帶；15——齒條；16——拉桿17——撥叉；18——齒扇；19——圓鍵；
???????????????????圖1 CA6140型車床主軸箱展開圖
?????該圖是沿軸IV一I一II一III(V)一VI一XI一X的軸線剖切面展開的。展開圖把立體展開在一個平面上，因而 其中有些軸之間的距離拉開了。如軸IV畫得III與軸V較遠，因而使原來相互嚙合的齒輪副分開了。讀展開圖時 ，首先應(yīng)弄清楚傳動關(guān)系。
??????1卸荷帶輪電動機經(jīng)皮帶將運動傳至軸I 左端的帶輪2（見圖1的左上部分）。帶輪2與花鍵套1用螺釘連接成一體，支承在法蘭3內(nèi)的兩個深溝球軸承上。法蘭3固定在主軸箱體4上，這樣帶輪2可通過花鍵1帶動軸I旋轉(zhuǎn)，皮帶 的拉力則經(jīng)軸承和法蘭3傳至箱體4。軸I 的花鍵部分只傳遞轉(zhuǎn)距，從而可避免因皮帶拉力而使軸I產(chǎn)生彎曲變 形。這種帶輪是卸荷的（既把徑向載荷卸給箱體）。
一、 驅(qū)動系統(tǒng)：
1．電機的選擇
數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。因為開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。所以，本設(shè)計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。
步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的控制電動機。利用它可以組成一個簡單實用的全數(shù)字化伺服系統(tǒng)，并且不需要反饋環(huán)節(jié)，所以在開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中獲得了極其成功的應(yīng)用。概括起來它具有如下特點：
1） 送給步進電動機定子繞組一個電流脈沖，其轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過了一個角度，并稱之為步距角
2） 有脈沖就走，無脈沖則停。
3） 脈沖數(shù)增加，角位移隨之增加。
4） 脈沖頻率越高，電動機轉(zhuǎn)速越高；反之則低。
5） 脈沖頻率變化太快，會引起失步或過沖。
6） 改變分配脈沖的相序就可改變電動機旋轉(zhuǎn)方向。
7） 步進電動機運行狀態(tài)是步進形式，故稱之為步進電動機。
8） 定子繞組所加電源要求是脈沖電流形式，古也稱之為脈沖電動機。
9） 輸出轉(zhuǎn)角精度也較高，并且一般只有相鄰誤差，而無積累誤差。
所以在本次改造中選用步進電動機作為主軸的驅(qū)動裝置和進給驅(qū)動的裝置。
主傳動系統(tǒng)圖如圖2所示
圖2 主傳動系統(tǒng)圖
CA6140數(shù)控車床是我廠自行設(shè)計的經(jīng)濟型數(shù)控車床，主運動是由步進電動機經(jīng)皮帶輪傳動至主軸。鑒于車床的特點，圖3是本機床主軸要求的功率P、轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n主的特性曲線，這個特性是以主軸的計算轉(zhuǎn)速n計為分界的。從n計至最高轉(zhuǎn)速nmax的區(qū)域a為恒功率區(qū)；從最低轉(zhuǎn)速nmin至n計的區(qū)域b為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。
圖1 主軸功率轉(zhuǎn)距與轉(zhuǎn)速的特性曲線
因為原CA6140車床的功率為7.5kw為了改進后功率與改進前功率相符。
另原功率為P1，
那么它的輸出功率為：
33KW
步進電動機的功率為:2=KW
在這里我們選擇步進電動機的步距角為2度，則
為轉(zhuǎn)子齒數(shù) N為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距需要的脈沖數(shù)
步進電動機脈沖電源的頻率為：
查機械零件設(shè)計手冊得選用BF系列160BF5B-1.5/0.75的步進電動機
一、同步齒形帶的選擇和校核
在車床改造時中，步進電動機與四缸傳動副之間裝有減速機構(gòu)，通過減速機構(gòu)可得到所需的脈沖當量和增大的驅(qū)動力矩。通常采用齒輪傳動或同步齒形帶傳動機構(gòu)。同步齒形帶傳動是一種新型的帶傳動，其利用同步帶的齒型與帶輪的輪齒傳遞運動，無相對滑動，無噪聲，無需潤滑，傳動精度和效率高，同步帶傳動的帶速高達40~80m/s.傳遞功率可達100KW，傳動比可達10~20，傳動效率98%。因此在這次數(shù)控改造中我們采用同步齒形帶來傳遞運動。
同步帶傳動的設(shè)計步驟為：
（1）模數(shù)
根據(jù)表1.表2 m=4
（2）齒數(shù)
查表3選
（3）帶輪節(jié)圓直徑為：
同步帶傳動簡圖
（4）帶速為：
（5）中心距為：
則210
16
載荷平穩(wěn)
1
1.1
1.2
載荷變動小
1.2
1.4
1.6
載荷變動大
1.4
1.7
2
小帶輪最小齒數(shù)
小帶輪轉(zhuǎn)速n1(r/min)
模數(shù)m/mm
1.5
2
2.5,3
4
5
7
10
<1000
12
14
16
18
20
22
24
1000～3000
14
16
18
20
22
24
26
>3000
16
18
20
22
24
傳動比系數(shù)k1
n1/n2
≥1/1.25
<1/1.25～1/1.7
<1/1.7～1/2.5
<1/2.5～1/3.5
<1/3.5
k1
1
0.95
0.9
0.85
0.8
聚氨酯同步帶（強力層為鋼絲繩）的質(zhì)量和許用拉力
模數(shù)m/mm
1.5
2
2.5
3
4
5
單位寬度每米長度的質(zhì)量
18
24
30
35
48
60
單位寬度的許用拉力
4
6
8
10
15
25
同步帶的齒數(shù)、長度和寬度
齒數(shù)z
模數(shù)m
1.5
2
2.5
3
4
5
名義長度L
35
164.9
219.2
274.9
329.9
40
188.5
251.3
314.2
377
502.7
628.3
50
235.6
314.2
392.7
471.2
628.3
785.4
60
282.7
377
471.2
565.5
754
942.5
70
329.9
439.8
549.8
659.7
879.7
1099.6
80
377
502.7
628.3
754
1005.3
1256.6
90
424.1
565.5
706.9
848.2
1131
1413.7
100
471.2
628.3
784.4
942.5
1256.6
1570.8
寬度b
8～32
10～15
12～60
12～60
16～80
20～80
寬度系列
8、10、12、16、20、25、32、40、50、60、80
1、主軸組件的設(shè)計
主軸在改造過程中還可以選用原來的主軸，因為主軸在精度、力學(xué)性能和經(jīng)濟性上都能滿足改造后的要求。軸的支撐軸頸、配合軸頸是軸類零件的主要表面，它影響軸的旋轉(zhuǎn)精度與工作狀態(tài)。CA6140車床主軸支撐軸頸和配合軸頸的尺寸精度通常為IT6~9級公差，特別精密的軸頸為IT5級，甚至更高。在力學(xué)性能上由于主軸在工作時，應(yīng)力集中在主軸心部，而CA6140車床主軸采用空心形狀大大減小了應(yīng)力的集中，使軸的剛度有很大提高。
主軸支撐是主軸組件的重要組成部分，主軸支撐是指主軸軸承、支撐座及其相關(guān)零件的組合體，其中核心元件是軸承。滾動軸承的主要優(yōu)點是適應(yīng)轉(zhuǎn)速和載荷變動的范圍大；能在零間隙或負間隙條件下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，具有教高的旋轉(zhuǎn)精度和剛度；軸承潤滑容易，維修、供應(yīng)方便，摩擦因數(shù)小等。
主軸懸伸量的確定。主軸懸伸量a是指主軸前支撐徑向支反力的作用點到主軸前端面之間的距離，它對主軸組件剛度影響較大。根據(jù)分析和試驗，縮短伸量可以顯著提高主軸組件的剛度和抗振性。因此，設(shè)計時在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，盡量縮短懸伸量a。
前軸徑 后軸徑
根據(jù)結(jié)構(gòu)定懸伸長a=115mm
(1) 求軸承剛度
主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩
=9550=1260.6Nm
床身上最大加工直徑約為最大回轉(zhuǎn)直徑60％即：240mm
故半徑為0.12m
==10505N
=0.5 =5252.5N
故總切削力為F＝＝11745N
先暫取初值為： =2.5即暫取的初值為2.5×115＝287mm
前后支撐支反力和分別為：
＝F=1N
=F=11754N
取前后支撐剛度為＝1530N／m
=1030 N／m
(2) 求懸體跨距
==1.495
初算時可假設(shè)主軸當量外徑D為前后軸頸的平均值，即：
D ＝ （115+80）／2=98mm
故慣性矩為： I ＝
則
查下圖得
/a值與原假設(shè)值相近，符合要求。
圖4 主軸最佳跨度計算線圖
查機械設(shè)計手冊得所選的軸承為6020深溝球滾動軸承、6018深溝球滾動軸承、6015深溝球滾動軸承三種類型
如圖5：
圖 5 改造后主軸圖
滾動軸承
三、潤滑系統(tǒng)
油氣潤滑方式 這種潤滑方式不同于油霧潤滑方式，油氣潤滑是用壓縮空氣把小油滴送進軸承空隙中，油量大小可達最佳值。壓縮空氣有散熱作用，潤滑油可回收，不污染周圍空氣。油氣潤滑原理圖如圖6：
1.吸油管 2、7、9.螺母 3.管接頭 4.偏心套 5.定子 6、10.潤滑油管 8.三通管接頭 11.轉(zhuǎn)子 12.葉片13.回油管
圖6 油氣潤滑原理圖
根據(jù)軸承供油量的要求，定時器的循環(huán)時間可從1－99min定時,兩位兩通氣閥每定時開通一次,壓縮空氣進入注油器,把少量油帶入混合市,經(jīng)節(jié)流閥的壓縮空氣,經(jīng)混合室把油帶入塑料管道內(nèi),油液沿管道壁被風(fēng)吹入軸承內(nèi),此時形成小油滴狀.
三、數(shù)控系統(tǒng)的改造
數(shù)控在廣義上講是指利用數(shù)字化信息實行控制，也就是利用數(shù)字控制技術(shù)實現(xiàn)的自動控制系統(tǒng)，其被控對象可以是各種生產(chǎn)過程。從狹義上講是利用數(shù)字化信息對機床軌跡和狀態(tài)實行控制。
任何生都有一定的過程。采用數(shù)字控制技術(shù)，生產(chǎn)過程被某種語言編寫的程序來描述，以數(shù)字形式送入計算機或?qū)Ｓ每刂蒲b置；利用計算機的高速數(shù)據(jù)處理能力，識別出該程序描述的生產(chǎn)過程，通過計算機和處理將此程序分解為一系列的動作指令，輸出并控制生產(chǎn)過程中相應(yīng)的執(zhí)行對象，從而可使生產(chǎn)過程能在人不干預(yù)或少干預(yù)的情況下自動進行，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。
數(shù)控系統(tǒng)一般由輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)（驅(qū)動控制裝置）、機床電器控制裝置四部分組成，機床本體為被控對象，如圖7：
圖 7
數(shù)控系統(tǒng)是嚴格按照外部輸入的程序?qū)ぜM行自動加工的。輸入裝置將數(shù)控加工程序等各種信息相互如數(shù)控裝置，輸入的內(nèi)容及數(shù)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)可以通過輸出裝置觀察。常用的輸入/輸出裝置有紙帶閱讀機、盒式磁帶錄音機、磁盤驅(qū)動器、通信網(wǎng)絡(luò)接口、CRT及各種顯示器件等。
數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。它的主要功能是：正確識別和解釋數(shù)控加工程序，對解釋結(jié)果進行各種數(shù)據(jù)計算和邏輯判斷處理，完成各種輸入、輸出任務(wù)。其形式可以是由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的專硬件數(shù)控裝置或計算機數(shù)控裝置。前者稱為硬件數(shù)控裝置，或NC裝置，其數(shù)控功能由硬件邏輯電路實現(xiàn)；后者稱為CNC裝置，其數(shù)控功能由硬件和軟件共同完成。數(shù)控裝置將數(shù)控加工程序按兩類信息分別輸出：一類是連續(xù)控制量，送往驅(qū)動控制裝置；另一類是離散的開關(guān)控制量，送往機床電器邏輯控制裝置。
伺服系統(tǒng)（驅(qū)動控制裝置）位于數(shù)控裝置和機床本體之間，包括進給軸伺服驅(qū)動裝置和主軸伺服驅(qū)動裝置。進給軸伺服驅(qū)動裝置由位置控制單元、速度控制單元、電動機組成，它按照數(shù)控裝置發(fā)出的位置控制命令和速度控制命令正確驅(qū)動機床受控部件的移動。主軸驅(qū)動裝置主要由速度控制單元組成。
機床電器控制裝置也位于數(shù)控裝置和機床之間，接受數(shù)控裝置發(fā)出的開關(guān)命令，主要完成主軸選速、起停和方向控制功能。其形式可以是繼電器控制線路或可編程邏輯控制器（PLC）。
計算機數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件共同完成數(shù)控任務(wù)，因此，其組成形式更加靈活。計算機數(shù)控系統(tǒng)的基本組成如下圖所示，它具有數(shù)控系統(tǒng)一般組成形式的各個部分。此外，現(xiàn)代數(shù)控裝置不僅能通過讀取信息載體方式，還可以通過其他方式獲得數(shù)控加工程序。
數(shù)控機床伺服系統(tǒng)分為開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)三類。其中開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)只有前向通道，沒有反饋通道，控制簡單，調(diào)試維修方便，價格比較低廉，在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)和普通機床數(shù)控改造過程中。所以在這次數(shù)控改造中我們優(yōu)先選擇這類數(shù)控伺服系統(tǒng)。
開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)不帶檢測裝置，也無反饋電路，一般以步進電動機作為執(zhí)行元件，其框圖如下圖所示
數(shù)控裝置輸出的指令進給脈沖竟驅(qū)動電路功率放大，轉(zhuǎn)換為控制步進電動機各定子繞組依次通電/斷電的電流脈沖信號，驅(qū)動步進電動機旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)過機床傳動機構(gòu)帶動工作臺移動。
數(shù)控車床與普通車床最大的不同在于其各部分之間的連接不僅依靠機械機構(gòu)，而且還要依靠電氣裝置。
圖 9
結(jié)束語：
這次的畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)3年中的最后一個環(huán)節(jié)，是對3年的學(xué)習(xí)生活中所學(xué)的知識一個匯總和概括，使我們每個人都能了解自己學(xué)道了什么，理解多少，會運用多少，還有多少知識不了解，需要進一步了解，加深理解，所以，在以后的工作中，繼續(xù)學(xué)習(xí)和加深。在此我非常感謝徐老師在設(shè)計過程中對我的指導(dǎo)和幫助。
由于是第一次做畢業(yè)設(shè)計難免有所不足之處，還望老師諒解。
參 考 文 獻
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