CA6140車床縱向進(jìn)給數(shù)控化改造

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1、CA6140車床縱向進(jìn)給數(shù)控化改造 目錄 目錄 設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求 設(shè)計(jì)參數(shù) 一、 淺談數(shù)控改造的目的與意義 二、 總體方案的設(shè)計(jì) 三、 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì) 3.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型 3.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 3.2.2 縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號(hào)擇雨核步驟 3.2.3 縱向滾珠絲杠的校核 3.3 齒輪的有關(guān)計(jì)算 3.4 繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)的機(jī)械裝配圖 四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選擇 4.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用的基本原則 4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的 五、結(jié)論與發(fā)展 設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求

2、具體設(shè)計(jì)內(nèi)容： 一、 淺談數(shù)控改造的目的與意義 二、 總體方案的設(shè)計(jì) （一） 伺服系統(tǒng)的擬定：1、伺服系統(tǒng)的選擇 2、縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造 （二）總體方案的確定（附總體方法裝配圖） 三、縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算------計(jì)算縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng) 1、確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 2、計(jì)算切削力 3、進(jìn)行滾珠絲杠螺母副設(shè)計(jì)，計(jì)算，選型。 4、齒輪的傳動(dòng)計(jì)算 5、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選用 設(shè)計(jì)參數(shù)： 主軸電動(dòng)機(jī)功率7.5KW 主軸最高轉(zhuǎn)數(shù)1400r/min最低轉(zhuǎn)數(shù)10r/min 縱向進(jìn)給量0.028~1

3、.68mm/r 快速移動(dòng)速度4.2m/min 加工最大長(zhǎng)度1400mm 刀架最大縱向行程1500mm 大托板 小托板及刀架總重量155KG=1550N 縱向定位精度±0.015 重復(fù)定位精度±0.01 絲杠導(dǎo)程10mm 一、淺談數(shù)控改造的目的與意義 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，增加了功能，提高了性能，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。較好的解決形狀復(fù)雜、精密。小批量及形狀多變零件的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是數(shù)控的應(yīng)用也受到其他條件限制：（1）數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，中小企業(yè)常是心有力而力不足；（2）目前，歌企業(yè)都有大量的普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床替

4、代更換基本不可能，而且替代下的機(jī)床往往閑置起來(lái)又會(huì)造成浪費(fèi)；（3）在國(guó)內(nèi)，訂購(gòu)新數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，往往不能滿足生產(chǎn)急需；（4）通用數(shù)控機(jī)床對(duì)某一類具體生產(chǎn)項(xiàng)目有多余功能。 要較好的解決上述問(wèn)題，應(yīng)走通用機(jī)床數(shù)控改造之路。普通機(jī)床的改造就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)數(shù)控裝置，使器具有一定的自動(dòng)化能力，以現(xiàn)實(shí)額定的加工工藝目標(biāo)。這一工作早就在20世紀(jì)60年代已經(jīng)在開始迅速發(fā)展，并有專門企業(yè)經(jīng)營(yíng)這門業(yè)務(wù)。目前國(guó)外已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)部門，從美國(guó)、日本等工業(yè)化國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)看，機(jī)床的數(shù)控化改造也必不可少，如日本的大企業(yè)中有26%的機(jī)床經(jīng)過(guò)數(shù)控化改造，其中小企業(yè)則達(dá)74%。在美國(guó)也有許多數(shù)控專業(yè)化

5、公司為世界各地提供數(shù)控化改造業(yè)務(wù)。中國(guó)是擁有300多萬(wàn)臺(tái)機(jī)床的國(guó)家，其中大部分是多年積累生產(chǎn)的普通機(jī)床，自動(dòng)化程度低。要想在近幾年用自動(dòng)化和精密設(shè)備更新現(xiàn)有機(jī)床，無(wú)論是資金還是中國(guó)機(jī)床制造廠的能力都辦不到的，因此，普通機(jī)床數(shù)控化改造大有可為，它適合中國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平、生產(chǎn)水平和教育水平，已經(jīng)為中國(guó)設(shè)備技術(shù)改造的主要方向之一。 機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)點(diǎn)：（1）改造閑置設(shè)備，能發(fā)揮機(jī)床原有的功能和改造后的新增功能，提高了機(jī)床的使用價(jià)值，可以提高固有資產(chǎn)的使用效率；（2）適應(yīng)多品種、小批量零件生產(chǎn)；（3）自動(dòng)化程度提高、專業(yè)性強(qiáng)、加工精度高、生產(chǎn)效率高；（4）降低對(duì)工人的操作水平的要求；（5）數(shù)控改造經(jīng)費(fèi)

6、低、經(jīng)濟(jì)性好；（6）數(shù)控改造的周期短，可以滿足生產(chǎn)急需。因此，我們必須走數(shù)控改造之路。 普通車床（如C616，C618，CA6140）等是金屬切削加工最常用的一類機(jī)床。普通機(jī)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(lái)，通過(guò)進(jìn)給箱變速后，由光杠或絲杠帶動(dòng)溜板箱、縱溜箱、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)給運(yùn)動(dòng)和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)不能聯(lián)動(dòng)，切削次序也由人工控制。 對(duì)數(shù)控車床進(jìn)行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改為用微機(jī)控制的、能獨(dú)立運(yùn)行的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；刀架改造成為能自動(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)

7、行切削加工。由于加工過(guò)程中的切削參數(shù)，切削次序和道具都會(huì)按程序自動(dòng)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)效率和加工精度，也能適應(yīng)小批量多種復(fù)雜零件的加工。 二、總體方案的設(shè)計(jì) 總體方法設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計(jì)算機(jī)的選擇，以及傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。 （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，還要求能夠暫停，進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。 （2） 車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降

8、低成本，因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電動(dòng)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)。在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)、具有很高的性價(jià)比，因此，可選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，還有包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器、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)的信息的顯示器，包括電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)有包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路

9、。 （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)，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間的機(jī)構(gòu)。 （8） 采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。 總體方案設(shè)計(jì)圖 進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖 三、進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì) 進(jìn)給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(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

10、絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車尾座端原來(lái)裝軸承座的部分。 3.2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)算和選型等。 3.2.1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)基本參數(shù)。因此，脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)床精度的要求來(lái)確定。對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，常采用的脈沖當(dāng)量為0.01mm/step和0.005mm/step，在CA6140的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當(dāng)量fp為0.01mm/step。橫向脈沖當(dāng)量fp為0

11、.005mm/step。 3.2.2縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號(hào)選擇與校核步驟 （1）最大工作荷載計(jì)算 滾珠絲杠的工作載荷Fm（N）是指滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力。它包括滾珠絲杠的走到抗力及與移動(dòng)體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。 由于原普通CA6140車床的縱向?qū)к壥侨切螌?dǎo)軌，則用公式Fm=KFL+F`(Fv+G)計(jì)算工作載荷的大小。 1） 車削抗力分析 最大切削功率Pq=7.5×0.8=6KW 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)總效率一般為0.7~0.85取0.8 切削功率應(yīng)在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力（或轉(zhuǎn)矩）和最大切削

12、速度來(lái)計(jì)算。即P 主切削力fc=Pq×10^(-3)/v=3600N 最大切削速度，按用硬質(zhì)合金刀具半精車剛體的速度V=100m/min 在一般外圓車削時(shí)Fz=（0.1~0.55）Fc，F(xiàn)x=(0.15~0.65)Fc 取Fz---縱向切削分力 Fx---橫向切削分力 因此，最大工作載荷Fm=KFz+f`(Fz+G)=1.15×2088+0.16×（1728+900）=2821.7N 取f`=0.16，W---移動(dòng)部件的重量N 2） 滾珠絲杠平均轉(zhuǎn)速的計(jì)算 最大切削力下的進(jìn)給速度Vs（r/min）可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3取1/2，縱向最大進(jìn)給速度為0.6m/min，

13、絲杠導(dǎo)程Pn=10mm，則滾珠鋼絲平均轉(zhuǎn)速N=1000VS/Pn=30r/min 3) 計(jì)算載荷Fc的計(jì)算 Fc=Kf*Kh*Ka*Fm=1.2×1×1×2821.7=3386.04N Kf---載荷系數(shù) Kh---硬質(zhì)系數(shù) Ka---精度系數(shù) Fc---計(jì)算載荷 載荷系數(shù) 載荷性質(zhì) 無(wú)沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn) 一般運(yùn)轉(zhuǎn) 有沖擊和振動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn) Kf 1.0-2.0 1.2-1.5 1.5-2.5 硬質(zhì)系數(shù) 滑到實(shí)HRC際硬度 ≥58 55 50 45 Kh 1 1.11 1.56 2.4 精度系數(shù) 精度 C,D E,

14、F G H Ka 1 1.1 1.25 1.43 3） 計(jì)算額定動(dòng)載荷Ca` Ca`=Fc =3600 =10647N 假定每天開機(jī)6小時(shí)，每年300個(gè)工作日，工作8年以上 Lh=6×300×8=14400h 4） 根據(jù)Ca`值從滾珠絲杠副系列中選所需要的規(guī)格，使所選規(guī)格的絲杠副的額定動(dòng)載荷Ca`值等于或者大于Ca`，并列出其主要參數(shù)值。 5） 數(shù)據(jù)Do=60mm P=10mm R=0.52do=30.96mm λ=3°2′ do=5.953mm D1=Do+2e-2R=60+2×0.707（R-do/2）-2R=53.81mm 另外例

15、如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)下工作并受載，那么還需考慮其另一種失效形式---滾珠接觸面上的塑形變形。 初選滾珠絲杠為：外循環(huán)，因?yàn)閮?nèi)循環(huán)較外循環(huán)絲杠貴，并且較難安裝?？紤]到簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)改造，所以采用外循環(huán)。 因此初選滾珠絲杠的型號(hào)為CD63×8—3.5—E形，主要參數(shù)為Dw=4.763mm Lo=8mm dm=63mm λ=2°19′，圈數(shù)×列數(shù)3.5×1 （3）縱向滾珠絲杠的校核 1）傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為η=tgλ/tg(λ+φ)=tg3°2′/tg(3°2′+10′)=94.6% 2）剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影

16、響其定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠和螺母之間滾道的接觸變形，絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。 1絲杠的拉壓變形量δ1 δ1=(F*P)/(E*A)=(Fm*P)/(E*d^2π)=(4×2821.7×10×10^3)(/206×10^9×π×0.0538^2)=6.062×10^-2um 2滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2 M=Fm*Do*tg(λ+φ)/2=2812.7×60×tg(3°2′+10′)/2=4732.7N/mm=4.73N/m δ2=(P* φ)/2π=(P^2*

17、M)/（2π*G*Jc）=(16P^2*M)/( π^2Gdl^4)=(16×10×4.73×10)/（π^284.2×10^5×0.0538^4）=1.11×10^-6cm=1.11×10^-2um s絲杠的總變形量δ=δ1+δ2=6.026×10^-2+1.11×10^-2=7.136×10^-2um 查表知E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差為0.015mm，故所選絲杠合格。 3）壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作負(fù)載過(guò)大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為Fk Fk=fz^2EI/L^2 E為絲杠材料彈性模量，對(duì)剛E=20.6×1

18、0^4Mpa I為截面慣性距，對(duì)絲杠圓截面I=πdl^4/64mm^2(dl為絲杠的低經(jīng)) L為絲杠的最大工作長(zhǎng)度mm fz為絲杠的支承方式系數(shù)表3-1 方式 兩端端自由 一端固定一端自由 兩端固定 兩端簡(jiǎn)支 Fz 0.25 2 4 1 由Fk=fzπ^2EI/L^2 且fz=2.0 E=20.6×10^4Mpa I=πdl^4/64mm^4 L=2800mm為絲杠長(zhǎng)度，由于I=πdl^4/64=π(63-5.953)^4/64=519414mm Fk=2×3.14^2×20.6×10^4×519614/2800^2=276276

19、 Nk=276276/1875=149》4 所以絲杠穩(wěn) 3.2.4齒輪的有關(guān)計(jì)算 （1）有關(guān)齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算 1）有關(guān)齒輪計(jì)算，由前面的條件可知： 工作臺(tái)重量：W=900N(根據(jù)圖紙粗略計(jì)算) 滾珠絲杠的導(dǎo)程：Lo=10mm 步距角：α=0.75°/step 脈沖當(dāng)量：δp=0.01mm/step 快速進(jìn)給速度：Vmax=6m/min 所以，變數(shù)箱內(nèi)齒輪的傳動(dòng)比i=Z2/Z=αlo/360° δp=0.75×10/(360°×0.01)=2.1 a． 選擇齒輪材料及確定極限應(yīng)力 無(wú)特殊要求，為制造方便，采用軟齒面。小齒輪采用45號(hào)剛調(diào)質(zhì)，硬度為23

20、0HBS—250HBS;大齒輪采用45號(hào)剛正火，硬質(zhì)為170HBS—220HBS。 有表查的δHlim1=560Mpa δHlim2=530Mpa δFlim1=210Mpa δFlim2=190Mpa b．齒輪的有關(guān)參數(shù)選取如下：Z1=25 Z2=50 模數(shù)m=2mm 齒輪b=20mm 壓力角α=20° 齒輪的直徑 d1=mz1=2×25=50mm d2=mz2=2×50=100mm dα1=d1+2h*=54mm dα2=d2+2h*=104mm

21、 c.兩齒輪的中心距 a=(d1+d2)/2=79mm 表1得，齒輪系數(shù)YH1=2.65 YH2=2.35 表2得，應(yīng)力修正系數(shù)YS1=1.59 YS2=1.71 表3得，彎曲疲憊安全系數(shù)SF=1.3 轉(zhuǎn)距 T=9.55×10^6p/n=9.55×10^6×7.5/1000=71625n.mm 載荷系數(shù) K=1.1 表1 Z 17 18 19 20 22 25 28 30 35 40 45 50 60 80 YF 2.97 2.91 2.85 2.81 2.75 2.65 2.58 2.54 2.47 2

22、.41 2.37 2.35 2.3 2.25 表2 Z 17 18 19 20 22 25 28 30 35 40 45 50 60 80 100 Y 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.7 1.7 1.7 1.8 S 3 4 5 6 8 9 1 3 5 7 9 1 3 7 0 表3 安全系數(shù) 軟齒面（≤350HBS) 硬齒面（≥350HBS) 滲碳淬火齒輪或鑄造齒輪和重要齒輪 SH 1.0-1.1 1.1-1

23、.2 1.3 SF 1.3-1.4 1.4-1.6 1.6-2.2 D．校核齒根的彎曲強(qiáng)度 《δf》1=YN1*δFLim1/Sf=210/1.3=162Mpa 《δf》2=YN2*δFLim2/Sf=190/1.3=146Mpa 故齒輪彎曲強(qiáng)度校核合格 e．驗(yàn)算齒輪的圓周速度 V=πd1n1/(60×1000)=（3.14×50×1000/(60×1000）=2.6m/s 由表可知，選取該齒輪傳動(dòng)為8級(jí)精度 2）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算： 工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=(180δp/πφ)^2w=180×0.01/(3.14×0

24、.75)=4.67N.cm^2 絲杠的傳動(dòng)慣量 Jt=7.8×10^-4D^2L=7.8×10^-4×3.2^4×169.7=13.879kgf.cm^2=13.879N.cm^2 齒輪的傳動(dòng)慣量 Jz1=7.8×10^-4×7.2^4×2.2=4.611kgf.cm^2=46.11N.cm^2 Jz2=7.8×10^-4×9^4×2.2=11.258kgf.cm^2=112.58N.cm^2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略不計(jì) 因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=(Jt+Jz2)/i^2+Jz1+Js=(13.879+11.258)/1.25^2+4.61

25、1+0.467=21.345kg.cm^2=213.45N.cm^2 3)所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算： 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 M=Mamxa+Mf+Mo 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M= Mf+Mo 式中: Mamxa---空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩， Mf---折算到電機(jī)軸的摩擦力矩 Mo---由到絲杠預(yù)緊引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 Mat---切削時(shí)折算的電機(jī)軸上的加速度力矩 Mt---折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩

26、 Ma=Jn/9.6T×10^-4N.m 當(dāng)n=n max時(shí)， Ma max=Ma n max=v max i/p=2000×1.25÷6=416.7r/min Ma max=21.345×416.7÷（9.6×0.025）×10^-4=3.706N/m=37.06kgf.cm N=n t時(shí)，Ma=Mat nt=nfi/p=(1000vfi/πD）/P=1000×100×0.3×1.25÷（3.14×100×6）=19.9r/min Mat=44.767×19.9÷（9.6×0.025）×10^-4=0.3712N.m=3.172kgf.cm Mf=FoP/

27、2πηi=f`wp/2πηi 當(dāng)η（0.7~0.85）取η=0.75 f`=0.17時(shí) Mf=0.17×90×0.6÷（2×3.14×0.75×1.25）=1.559kgf.cm=15.59N/cm Mo=p^op(1-η^o^2)/2πηi 當(dāng)η^o=0.9時(shí)預(yù)加載荷p^o=Ff/3，則： Mo= FfP(1-η^o^2)/ 2πηi=176.25×0.6×（1-0.9^2）÷（6×3.14×0.75×1.25）=1.137kgf.cm=11.37N.cm Mt= FfP/2πηi=176.25×0.6÷（2×3.14×0.7×1.25）=17.961kgf.cm=17.961

28、N.cm 所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩 M=Ma max+Mf+Mo=37.06+1.137+1.155=39.352kgf.cm=393.52N.cm 切削時(shí)所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt=3.721+1.559+1.137+17.96=24.377kgf.cm=24.377N.cm 由以上分析計(jì)算可知： 所需最大力矩Mmax發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí) Mmax=39.352kgf.cm=393.52N.cm 4）繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)的機(jī)械裝配圖 在完成滾珠絲杠螺母副和步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選型，完成齒輪傳動(dòng)比計(jì)算后可以著手繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)的機(jī)械裝配圖。 在繪制機(jī)械裝配圖時(shí)，除了從總體上

29、考慮機(jī)床布局情況以及伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)與原機(jī)床的聯(lián)系外，還應(yīng)認(rèn)真的考慮與具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的一些問(wèn)題。 1） 了解原機(jī)床的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、橫流板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。 2） 根據(jù)載荷特點(diǎn)和支承形式確定絲杠兩端支承軸承型號(hào)，軸承座的結(jié)構(gòu)以及軸承預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式，確定齒輪軸承支承軸承的型號(hào)。 3） 減速齒輪的參與和結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算，確定齒輪側(cè)隙的調(diào)整方式，在滿足裝配工藝的前提下，合理設(shè)計(jì)齒輪箱的結(jié)構(gòu)。 4） 考慮各部位間的定位、連接和調(diào)整方法。例如，應(yīng)保證絲杠兩端支承與滾珠絲杠螺母同軸，保證絲杠與機(jī)床導(dǎo)軌平行，考慮螺母座，軸承座在安裝面上的連接與定位、齒輪箱在安裝面上的定位、步進(jìn)電

30、機(jī)在齒輪箱上的連接于定位等。 5） 考慮密封、保護(hù)、潤(rùn)滑以及安全機(jī)構(gòu)等問(wèn)題。例如，絲杠螺母的潤(rùn)滑、防塵、防鐵屑保護(hù)、軸承的潤(rùn)滑以及密封、齒輪的潤(rùn)滑及密封、行程限位保護(hù)裝置等。 6） 在進(jìn)行各零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，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)試和拆卸的方便。 此外，注意繪制裝配圖時(shí)的一些基本要求。例如，繪圖標(biāo)準(zhǔn)、試圖布局以及圖形畫法要求、重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標(biāo)準(zhǔn)、重要配合的標(biāo)注、裝配技術(shù)要求、標(biāo)題欄要求等。 四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用的基本原則 合理選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是比較復(fù)雜的問(wèn)題，需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)際工作情況

31、，經(jīng)過(guò)分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最基本的原則介紹 如下： 4.1.1步距角α 步距角應(yīng)滿足α≤αmin/i 式中，i---傳動(dòng)比 αmin---系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件要求的最小轉(zhuǎn)角 4．1.2精度 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精度可以用步距誤差或累計(jì)誤差衡量，累計(jì)誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過(guò)比較實(shí)用，所選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足： △θm---步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的累計(jì)誤差 （△θs）---系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差 4.1.2轉(zhuǎn)矩 為了使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)（不失步，不越步）正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮以下條件 a． 啟動(dòng)力矩。一般選

32、取為 Mq≥MLo/0.3~0.5 式中，Mq---電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩 MLo---電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載力矩 根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)，啟動(dòng)力矩選取如表（4）所示，表中M JM為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜載矩，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的。 運(yùn)行 相數(shù) 3 3 4 4 5 5 6 6 方式 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 Mg/Mjm 0.5 0.866 0.707 0.707 0.897 0.951 0.866 0.866 表（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)、拍數(shù)啟動(dòng)力矩表 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率

33、隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低，因此，相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足： Ft≥（f op）m 式中，f---極限啟動(dòng)頻率 （f op）m---要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高啟動(dòng)頻率 4.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 4.2.1CA6140縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 Mq=MLo/0.4=123.339÷0.4=308.35N.cm 為滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查表得: Mq/Mjm=0.866 所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjm為： Mjm=Mq/0.866=308.35÷0.866=356.06N.cm 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高工作頻率： F max=v

34、max/60δp=2000÷（60×0.01）=3333.3Hz 綜合考慮，查步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)表選用90BF002型直流電動(dòng)機(jī)，能滿足使用要求。 五、結(jié)論與展望 將CA6140普通車床數(shù)控化改造后，首先要對(duì)改造前的CA6140普通車床進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，論證改造的必要性，然后進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的可行性研究，其次結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研，確定改造方案，確定性能和精度指標(biāo)。 （1） 拆卸車床，對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行大修，對(duì)車床相關(guān)部件和參數(shù)進(jìn)行繪制、測(cè)量，為CA6140普通車床數(shù)控化改造提供原始數(shù)據(jù)。 （2） 根據(jù)切削力理論，進(jìn)行進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，選擇合適的滾珠絲杠螺母副、步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)，設(shè)計(jì)具有強(qiáng)度、

35、剛度和穩(wěn)定性較好的支承形式。 （3） 根據(jù)選擇的數(shù)控系統(tǒng)裝置系統(tǒng)，結(jié)合CA6140普通車床電氣控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的電氣控制系統(tǒng)。 （4） 根據(jù)改造的經(jīng)濟(jì)和精度指標(biāo)，選擇性價(jià)比較優(yōu)數(shù)控裝置系統(tǒng)，為同類改造提供了參考依據(jù)。 （5） 利用現(xiàn)代光學(xué)等測(cè)試技術(shù)，檢測(cè)調(diào)整的安裝水平，通過(guò)不斷調(diào)試達(dá)到精度要求。CA6140普通車床數(shù)控化改造后的加工精度比改造前高。 CA6140普通車床數(shù)控化改造后，手動(dòng)快速進(jìn)給為手動(dòng)運(yùn)動(dòng)的10%~150%倍，車床最小單位為0.001mm。除了實(shí)現(xiàn)圓弧、斜線、螺紋加工、自動(dòng)換刀等功能，也減少了輔助加工的時(shí)間、降低了對(duì)工人技術(shù)等級(jí)的要求，還留有通信（網(wǎng)絡(luò)）接口，不但可以離線編程加工，還可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)車床聯(lián)網(wǎng)形成網(wǎng)絡(luò)化，構(gòu)成CIMS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速、較高精度、較高效率、自動(dòng)化、智能化加工等。