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機械工程學院畢業(yè)設計
本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告
設計（論文）題目
C6140車床數(shù)控化改造之機械系統(tǒng)改造
設計（論文）題目來源
自選課題
設計（論文）題目類型
工程設計類
起止時間
始 2004-2-8
止 2004-6-23
止2004-6-24
一、 設計（論文）依據及研究意義：
機床工業(yè)是機器制造業(yè)的重要部門，肩負著為農業(yè)、工業(yè)、科學技術和國防現(xiàn)代化提供技術裝備的任務，是使現(xiàn)代化工業(yè)生產具有高生產率和先進的技術經濟指標的保證。設計機床的目標就是選用技術先進。經濟效果顯著的最佳可行方案，以獲得高的經濟效益和社會效益。
本次設計是為了對我國現(xiàn)間斷所生產的車床進行一些先進技術和數(shù)字控制技術的應用。進給運動采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)，此外對主軸轉速亦進行數(shù)字控制，從而實現(xiàn)機床的完全數(shù)字化，實現(xiàn)在加工過程中實現(xiàn)變速，滿足在加工過程中不同加工精度范圍對轉速的要求。數(shù)控系統(tǒng)采用廉價的單片機控制技術，以滿足普通加工機床對價格的要求。
我們這次畢業(yè)設計是對大學四年專業(yè)知識的綜合運用。通過這次設計，更好的掌握了專業(yè)知識，對其也有更深入的理解，這對我們將來的工作、學習都是一個莫大的幫助，我們受益匪淺。
二、 設計（論文）主要研究的內容、預期目標：（技術方案、路線）
床身導軌平行度
可知，主切削力
FZ=CFZapXFZfYfzKFZ
查表得： CFZ=188kgf/mm2=1880Mpa
XFZ=1 YFZ=0.75 KFZ=1
則可計算FZ如表2-2所示：
表2-2
ap(mm)
2
2
2
3
3
3
f(mm)
0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.4
FZ(N)
1125
1524
1891
1687
2287
2837
當FZ=1520N時，切削深度ap=2mm,走刀量f=0.3，以次參數(shù)作為下面計算的依據。
從《機床設計手冊》中可知，在一般車削外圓時：
FX=（0.1~0.6）FZ FY=（0.154~0.7）FZ
取FX=0.5 FZ =0.5*1527.6=763.8N
FY=0.6 FZ=0.6*1527.6=916.5N
2．3．4滾珠絲杠設計計算
綜合導軌車床絲桿的軸向力：
P=K FX+f”(FZ+W)
式中 K+1015，f＇=0.15~0.18,取K=0.16。
則：P=1.15*763.8+0.16（1527.6+800）=1250.8N
(1)強度計算：
壽命值
Li=60niTi/106
Ni=n主f/L0=1000vf/(DL0)
取工件直徑 D=80mm，查表得 Ti=15000h
則：ni=100*100*0.3/(3.14*80*6)=20r/min
Li=18
最大動負載 Q=PfWfh
查表得運轉系數(shù) fW=1.2 硬度系數(shù)fH=1
則
Q=*1.2*1*1250.8=3933.6N
根據最大動負載荷Q的值，可以選擇滾珠絲杠的型號。參照汗江機床廠的產品樣本選取FC1B系列，滾珠絲杠直徑為,型號為FC1B32——5——E2，其額定動載荷是10689N，所以強度足夠。
(2)效率計算
根據《機械原理》公式，絲杠螺母副的傳動效率為：
式中 摩擦角=10‘ 螺旋升角3》25‘
=0.935166
(3)剛度驗算：
滾珠絲杠工作負載p引起的道程變化量
1=
式中 L0=6mm=0.6cm:
E=20.6166N/cm2
滾珠絲杠截面積 F=2=（2.8031/2）23.14
則 L1==5.910-6
滾珠絲杠受扭拒引起的導程變化量很小，可忽略，即L=L1，所以：導程變形總誤差為=100/L0L=100/0.6*5.9*10-6=9.8m/m
查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差（1m長）為15m/m,故剛度足夠。
(4)穩(wěn)定性驗算：
由于機床原絲桿直徑為30mm，現(xiàn)選用的滾珠絲杠直徑為32mm，支撐方式不變，所以穩(wěn)定性不存在問題，可不進行驗算。
2．3．5有關齒輪計算
傳動比
I=L0/360P=0.75*6/(360*0.01)=1.25
齒輪材料極其許用應力的確定：
小齒輪用45#表面淬火 齒面硬度為45HRC
大齒輪用45#調質處理，表面硬度為220HBS。
因Hlim1=1120Mpa, Hlim2=550Mpa
SH=1.1 故
[H1]=1190Mpa
[H2]=500Mpa
因Flim1=240Mpa Flim2=190Mpa SF=1.3
[F1]=185Mpa
[F2]=146Mpa
齒面接觸強度設計
設齒輪按8級精度選，取載荷系數(shù)K=1.5齒寬a=0.4
粗取 Z1=32 Z2= Z1i=23*1.25=40
滿足誤差要求，取齒輪壓力角a=200粗選模數(shù)m=2則
小齒輪直徑d1=m Z1=64mm
大齒輪直徑d2=m Z2=80mm
da1=d1+2ha*=68mm
da2=d2+2ha*=68mm
中心距a=m(Z1+Z2)/2=72mm
齒寬為
大齒輪 b2=a*a=30mm
小齒輪 b1=35(補償安裝誤差)
2．3．6轉動慣量的計算
工作太折算到電機軸上的轉動慣量：
J1=（180P/）2W=（180*0.01/3.14*0.75）2*80=0.468kg.cm2=4.68N.cm2
絲杠的轉動慣量：
JS=7.8*10-4D4L1=114.75N.cm2
齒輪的轉動慣量：
JZ1=7.8*10-4*6.44*2=26.17N.cm2
JZ2=7.8*10-4*84*2=63.9N.cm2
電機的轉動慣量很小可忽略。
因此總的轉動慣量：
J=（JS+ JZ2）/i2+ JZ1+ JS=145.19N.cm2
2．3．7所需轉動力矩的計算
快速空載啟動時所需力矩
M=Mamx+Mf+M0
最大切削負載所需力矩
M=Mat+Mf+M0+Mt
快速進給時所需力矩
M= Mf+M0
式中 Mamx——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩：
Mf——折算到電機軸上的摩擦力矩：
M0——由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩：
Mat——切削時折算到電機軸上的加速度力矩：
Mt——折算到電機軸上的切削負載力矩。
Ma=(Jn/9.6T)*10-4N.m
當n=nmax=Ma
nmax=vmaxi/L0=416.7r/min
Mamax=2.52N.m=25.72kgf.cm
當n=nt時 Ma=Mat:
nt=n主要 的ft/L0==24.88r/min
Mat =0.1505N.m=1.536kgf.cm
Mf=
當=0.8 f’=0.16時
Mf=12.23N.cm
M0=-(1-)
當=0.9時預加載荷P0=3/1FS 則
M t==76.38*0.6/(2*3.14*0.8*1.25)=0.462kg.cm=72.97N.cm
所以，快速空載起動所需力矩
M=Mamax+Mf+M0=274.05N.cm
切削時所需力矩：M= Mf+M0+Mamax=105.18
快速進給時所需力矩
M= +Mf+M0=16.85N.cm
由以上分析計算可知：
所需最大力矩Mmax發(fā)生在快速啟動時，
Mamax=27.405kgf.cm=274.05N.cm
2．4橫向（Y向）進給系統(tǒng)設計與計算
橫向進給系統(tǒng)的設計 經濟型數(shù)控改造的橫向進給系統(tǒng)的橫向進給系統(tǒng)的設計比較簡單，一般是步進電機安裝在大拖板上，法蘭盤將步進電機和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度，
已知條件：
工作臺重（估算）W=40kgf=300N
時間常數(shù): T=4mm左旋
行程?。樱剑玻矗癿m
脈沖當量?。校剑埃埃埃?
步矩角 ?。剑埃罚担埃痵tep
快速進給速度 vmax=1m/min
2．4．1切削力計算
橫向進給量為縱向的１／２～１／３，?。保玻瑒t切削力約為縱向力的１／２
ＦＺ＝１／２＊１５２．７６＝７６．３８kgf=763.8N
在切斷工件時：Ｆy=0.5FZ=0.5*76.38=38.19kgf=381.9N
2．4．2滾珠絲杠設計計算:
（1）強度計算：
對于燕尾型導軌：
Ｐ＝ＫFy+f’(FZ+W)
取?。耍剑保础 ’=0.2
則Ｐ＝１．４＊３８．１９＋０．２（７６．３８＋３０）＝７４．７４kgf=747.4N
壽命值
Ｌi＝６０niTi/106=13.5
最大動負載
Ｑ＝ｆＷfHP=213.55kgf=2135N
根據最大負荷Ｑ的值，可選擇滾珠絲杠的型號．滾珠絲杠直徑為２０mm,型號為Ｆc1B204----5-----E2左，其額定動負荷５３９３Ｎ，所以強度足夠用．
效率計算：
根據《機械原理》公式，絲杠螺母副的傳動效率為：
式中 摩擦角=10‘ 螺旋升角3》28‘
=0.956
（2） 剛度驗算：
滾珠絲杠工作負載p引起的道程變化量
1=
式中 L0=4mm=0.4cm:
E=20.61＝106N/cm2
滾珠絲杠截面積 F=2= 3.14
則 L1==5.9610-6
滾珠絲杠受扭拒引起的導程變化量很小，可忽略，即L=L1，所以：導程變形總誤差為=100/L0L=100/0.4*5.96*10-6=14.9m/m
查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差（1m長）為15m/m,故剛度足夠。
（3）穩(wěn)定性驗算：
由于選用滾珠絲杠的直徑不變，而支撐方式由原來的一端固定，一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支撐，所以穩(wěn)定性增強，故不在驗算．
2．4．3齒輪及轉矩的計算：
傳動比
I=L0/360P=0.75*4/(360*0.005)=1.67
齒輪材料極其許用應力的確定：
小齒輪用45#表面淬火 齒面硬度為45HRC
大齒輪用45#調質處理，表面硬度為220HBS。
因Hlim1=1120Mpa, Hlim2=550Mpa
SH=1.1 故
[H1]=1190Mpa
[H2]=500Mpa
因Flim1=240Mpa Flim2=190Mpa SF=1.3
[F1]=185Mpa
[F2]=146Mpa
齒面接觸強度設計
設齒輪按8級精度選，取載荷系數(shù)K=1.5齒寬a=0.4
粗取 Z1=18 Z2= Z1i=18*1.67=30
滿足誤差要求，取齒輪壓力角a=200粗選模數(shù)m=2則
小齒輪直徑d1=m Z1=36mm
大齒輪直徑d2=m Z2=60mm
da1=d1+2ha*=40mm
da2=d2+2ha*=64mm
中心距a=m(Z1+Z2)/2=96mm
齒寬為
大齒輪 b2=a*a=40mm
小齒輪 b1=45(補償安裝誤差)
2．4．4轉動慣量的計算
工作太折算到電機軸上的轉動慣量：
J1=（180P/）2W=（180*0.005/3.14*0.75）2*3/100=0.0439kg.cm2
絲杠的轉動慣量：
JS=7.8*10-4D4L1=0.624kg.cm2
齒輪的轉動慣量：
JZ1=7.8*10-4*3.6*2=0.262kg.cm2
JZ2=7.8*10-4*64*2=2.022kg.cm2
電機的轉動慣量很小可忽略。
因此總的轉動慣量：
J=（JS+ JZ2）/i2+ JZ1+ JS=1.258kg.cm2
2．4．5所需轉動力矩的計算
快速空載啟動時所需力矩
M=Mamx+Mf+M0
最大切削負載所需力矩
M=Mat+Mf+M0+Mt
快速進給時所需力矩
M= Mf+M0
式中 Mamx——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩：
Mf——折算到電機軸上的摩擦力矩：
M0——由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩：
Mat——切削時折算到電機軸上的加速度力矩：
Mt——折算到電機軸上的切削負載力矩。
Ma=(Jn/9.6T)*10-4N.m
當n=nmax=Ma
nmax=vmaxi/L0=416.7r/min
Mamax=0.2184N.m=2.23kgf.cm
當n=nt時 Ma=Mat:
nt=n主要 的ft/L0==33.17r/min
Mat =0.0174N.m=0.1775kgf.cm
Mf=
當=0.8 f’=0.2時
Mf=0.028N.cm
M0=-(1-)
當=0.9時預加載荷P0=3/1FS 則
M t==38.19*0.4/(2*3.14*0.8*5)=0.287kg.cm=0.028N.cm
所以，快速空載起動所需力矩
M=Mamax+Mf+M0=2.633N.cm
切削時所需力矩：M= Mf+M0+Mamax=24.04N.cm
快速進給時所需力矩
M= +Mf+M0=4.03N.cm
由以上分析計算可知：
所需最大力矩Mmax發(fā)生在快速啟動時，
Mamax=2.633kgf.cm=26.33N.cm
3．步進電機的選擇
3．1步進電機選用的基本原則
合理選擇步進電機是比較復雜的問題，需要根據電機在整個系統(tǒng)中的實際工作情況，經過分析后才能正確的選擇，基本原則如下
（1）、步矩角mn/i
式中 i－傳動比；
mn－系統(tǒng)對步進電機所驅動部件的最小轉角．
（2）、精度 步進電機的精度可用步距誤差或積累誤差衡量．積累誤差是指轉子從任意位置開始，經過任意步后，轉子的實際轉角與理論轉角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較實用．所選用的步進電機應滿足
Ｑi[]
式中 m－步進電機的積累誤差；
s－系統(tǒng)對步進電機驅動部分允許的角度誤差．
（3）、轉矩 為了使步進電機正常運行（不失步，不越步），正常啟動并滿足對轉速的要求，必須考慮：
１）啟動力矩 一般啟動力矩選取為：M
式中 Mq－電動機啟動力矩;
ML0－電動機靜負載荷．
2） 在要求的運行頻率范圍內，電動機運行力矩應大于電動機的靜載力矩與電機轉動慣量（包括負載的轉動慣量）引起的慣性矩之和．
（4）．啟動頻率 由于步進電機的啟動頻率隨著負載力矩和轉動慣量的增大而降低，因此相應負載力矩和轉動慣量的極限啟動頻率應滿足：
ft[fop]m
式中 ft－極限啟動頻率；
[fop]m－要求步進電機最高啟動頻率。
3．2步進電機的選擇
（1） C6140縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定:
Ｍq=
為滿足最小步距的要求，電動機選用三想六拍工作方式，查表知：Ｍq/Mjm=0.866
所以，步進電動機最大靜轉矩Mjm
Mjm＝Ｍq／0.866=791.14N.cm步進電機的最高工作頻率
fmax=vmax/60=2000/(60*0.01)=3333.3Hz
綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進電機，能夠滿足使用要求．
（2） Ｃ６１４０橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定
?。蛁=
電動機仍選用三相六拍工作方式，查表知：
Ｍq／Ｍim=0.866
所以，步進電機最大靜轉矩Ｍim為：
Ｍim=N.cm
步進電動機最高工作頻率
fmax===3333.3Hz
為了便于設計和采購，仍選用110BF003型直流步進電動機，能夠滿足使用要求
4．分析誤差來源
4．1機械結構原因
由于系統(tǒng)的縱、橫向都是開環(huán)進給控制系統(tǒng)，沒有反饋檢測系統(tǒng)，無法消除機械傳動部件間隙誤差，如滾珠絲杠反向間隙誤差、齒輪隙誤差及支撐結構和軸系變形引起的誤差、步距角精度和導軌副的精度等，從而產生累積誤差。
而滾珠絲杠的誤差主要是指反向間隙誤差，由于滾珠絲杠與螺母之間的軸向間隙，導致反向運動時的空程誤差，引起失步，它將直接影響到工作臺的進給精度。引起齒輪傳動誤差最主要的是側隙誤差。
4．2齒輪副誤差補償分析
對于由齒輪間隙引起的誤差可采取雙片薄齒齒輪錯齒調整法來消除，兩個嚙合的直齒圓柱齒輪中的小齒輪采用寬齒輪，另一個由兩片可以相對轉動的薄片齒輪組成。裝配時使一片薄齒輪的齒左側分別緊貼在寬齒輪的左、右兩側，通過兩薄片齒輪錯齒，消除齒側間隙，反向時也不會出現(xiàn)死區(qū)。錯齒齒輪如圖5.2.1所示，兩薄片齒輪上各裝入有螺紋的凸耳1、3，轉動螺母7可改變彈簧6的張力大小，而調節(jié)齒輪2、4的相對位置，達到錯齒的目的。
4．3滾珠絲杠副誤差補償分析
滾珠絲杠副可采用預緊方式來減小滾珠絲杠副的軸向回程間隙誤差。工作原理是在滾珠螺母體內的兩側循環(huán)滾珠鏈之間，使內螺紋滾道在軸向預制ΔL0的導程突變量，在兩列滾珠間產生軸向錯位而實現(xiàn)預緊，ΔL0的大小和單列滾珠徑向間隙決定預緊力大小，如圖4-3所示。
圖4-3 單螺母變位導程式預緊
結論
依照我國目前的數(shù)控機床發(fā)展狀況及我國的國情，對原有的普通機床進行數(shù)控化改造是符合當前狀況的。對普通C6140車床的數(shù)控化改造是為了擴大產品加工范圍和提高加工精度、效率、質量，進而滿足市場多變的要求：小批量、多品種、柔性化加工。改造后的C6140車床不僅能夠完成加工圓柱面，孔等一般加工，還能加工復雜的零件，且精度高。
對普通C6140車床改造的總體思路是把C6140改造成X，Y兩坐標能聯(lián)動的經濟型數(shù)控車床，由程序控制實現(xiàn)柔性化加工。從總體方案設計開始，確定了改造的目標—經濟型數(shù)控車床，全文進行了機械部分和數(shù)控部分的改造設計，最后進行了系統(tǒng)的誤差分析。在C6140的數(shù)控化改造中有如下特點：
（1）為了不大量改變原有的機械結構，本設計保留原有手動功能手柄，且只把原機床的普通絲杠改為滾動絲杠。
（2）在橫向和縱向的改造設計計算中，突出步進電機、減速箱和滾珠絲杠設計計算的連貫性，計算合理的準確性。
（3）在論文的最后進行系統(tǒng)的誤差分析，并提出自己的建議、方法。
但是還有一些不足之處，如：
（1）在對整個系統(tǒng)的改造中，由于缺乏實踐的條件，對機床改造的結構還欠合理。只有理論與實踐相結合才能改造設計出理想的結構。
（2）對論文的結構安排還有待進一步的權衡。
致謝
首先我要感謝我的指導老師楊健老師，是楊健老師不厭其煩、悉心的教導，讓我能地完成該課題的論文。我還要感謝在大學本科四年學習期間的各位任課老師的解惑授業(yè)，讓我習得了扎實的基礎及專業(yè)知識。楊老師的治學態(tài)度、執(zhí)著的科學精神、對學生的耐心指導，所有的這一切都讓我受益匪淺，讓我懂得了治學、做人的道理。并將讓我終身受益。
還有我特別要感謝的是我的父母，是他們一直在默默地支持著我，不斷給我以關懷和信心，讓我學會積極的人生態(tài)度和樹立正確的人生觀、世界觀。
豐富的大學生活，自然不能少了我的同窗之友，彼此的互相幫助、互相關心，生活中分享彼此的歡樂、共擔煩惱，這一切都讓我的大學生活變的無比多彩。生活在這樣一個彼此充滿關愛團隊中，各位好友的優(yōu)點就是我不斷進步的源泉。借此機會，我向諸位同窗好友表示感謝——好運伴左右！
大學的學習生活給了我面對未來一切挑戰(zhàn)的技能，開創(chuàng)美好未來的資本，所以我還要感謝給予我機會感受大學生活、給予我能力的母?！啥祭砉ご髮W！
參 考 文 獻：
【1】，楊可楨，程光蘊主編·機械設計基礎·北京：高等教育出版社，1988
【2】， 董玉紅·數(shù)控技術·高等教育出版社·2004.2
【3】，中國機工業(yè)教育協(xié)會組編·數(shù)控技術·北京：機械工業(yè)出版社，2001
【4】，周德儉主編·數(shù)控技術·重慶：重慶大學出版社，2000
【5】，陸劍中，孫家寧主編·金屬切削原理與刀具·北京：機械工業(yè)出版2001
【6】，成大先主編·機械設計手冊·北京：化學工業(yè)出版社，2002
【7】，廖效果，朱啟逑主編·數(shù)字控制機床·武漢：華中科技大學出社，1992
【8】，于俊主編·滾動軸承計算·北京：高等教育出版社，1993.7
【9】，張新義主編·經濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計·北京：機械工業(yè)出版社，1995
【10】，張柱銀