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CA6140普通车床改为经济型数控车床纵向进给系统设计及进给系统的润滑设计【26张图纸+毕业论文】

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CJK30119圆锥销.dwg---(点击预览)
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ca6140 普通车床 改为 经济型 数控车床 纵向 进给系统 设计 润滑系统设计 图纸 毕业论文 普通车床改数控车床
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CA6140普通车床改为经济型数控车床纵向进给系统设计及进给系统的润滑设计

25页-9300字数+说明书+任务书+26张CAD图纸

CA6140普通车床改为经济型数控车床纵向进给系统设计及进给系统的润滑设计.doc

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CJK30102隔套1.dwg

CJK30103隔套2.dwg

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CJK30105隔套4.dwg

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CJK30113纵向滚珠丝杠副.dwg

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CJK30115丝杠支架封盖.dwg

CJK30116丝杠支架.dwg

CJK30117连轴器护罩.dwg

CJK30118电机支座.dwg

CJK30119圆锥销.dwg

CJK30120螺母座背护罩.dwg

CJK30121丝杠防护罩.dwg

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目    录

第1章  绪论1

第2章  国内外发展概况及现状介绍5

第3章  总体方案论证6

3.1确定何种传动系统6

3.2选择传动装置6

3.3选择润滑方式7

第4章  具体设计说明8

4.1伺服电机型号选择9

　　　4.1.1进给电机功率的确定9

　　　4.1.2伺服电机型号9

4.2纵向进给滚珠丝杠副的设计选择10

　　　4.2.1确定滚珠丝杠的支承方式11

　　　4.2.2滚珠丝杠副参数的确定12

　　　4.2.3对选定的滚珠丝杠副参数进行核算13

第5章 结论22

参考文献23

附件清单24

1绪论

经济型数控车床纵向进给系统设计及进给系统的润滑设计。“主传动系统”“纵向进给系统”和“横向进给系统”可称为车床的三大核心系统，其重要地位更是不言而喻的。三大系统的精确性、准确性、必将影响加工产品的性能。为什么我国的机械制造业与西欧等国家的制造业有着很大的差距，这就是因为我们没有精良的加工工具或者是自动化系数远远的不及他们。制造业是关系到国际民生的大事，是富民强国的必要因素，必须在较短的时间内形成我们独立自主的现代化制造体系。

随着时代的发展，科技的日新月异，数控技术的应用范围日益扩大，数控机床及其系统己成为现代化机器制造业中不可缺少的组成部分。鉴于我国机床拥有量大、工业生产规模小的特点，突出的任务是用较少的资金迅速改变机械工业落后的生产面貌，使之尽可能地提高自动化程度，保证加工质量，减轻劳动强度，提高经济效益。而实现这一任务的有效的、基本的途径就是普及应用经济型数控，并对原有的机床进行数控改造。这就是本课题的来由。

前提条件：

?床身上最大回转直径为400mm

?加工最大工作长度1000mm

?快进速度 z轴8 m/min.

?定位精度 z轴0.04 mm.

?重复定位精度 z轴0.01 mm.

设计要求：

纵向进给运动设计时，电机与丝杠采用柔性连接，电机选用伺服电机对电机的大小选择进行验证，对滚珠丝杠直径及支承形式选择进行强度较核。润滑系统设计要做到润滑充分且达到各个润滑点。

本课题所设计的进给系统是针对经济型中档数控车床的，该系统设计成功一旦应用到生产实践中，将给中小规模的加工厂输入新的血液。显著提高生产力水平，减轻劳动强度，提高经济效益。

根据自己几个月来的设计过程，编写了这本《设计说明书》，由于自己的经验不足，所学的知识有限，书中肯定存在着相当的一些问题，期望领导、老师给予批评、指正。

2 国内外发展概况及现状介绍[1]

自从第一台商品数控机床问世以来 ，到1965年，世界主要工业国家的数控机床己进入了大批量生产阶段。数控机床的产量，拥有量，数控化率都在急速上升。1970年前美国处于领先地位。1971年苏联生产数控机床2538台，一举超过美国，名列世界第一。1977年以前，苏联一直保持产量优势，以后日本的半导体技术及计算机技术迅猛发展，促进了数机床的生产。1976年日本数控机床产量是3300台，1978年时为7300台，1980年为22000台，到1981年仅用4年时间便超过了其他各国而成为世界上最大的数控机床生产国，产量达到26000台，基本上两年翻一番。1981年，日本、美国、联邦德国、法国、英国五国的数控机床总产量为39000台，其中日本占66.2%，美国占19.8%，联邦德国占8.3%,法国占2.9%，英国占2.8%。到期988年，日本年产数控机床约为50000台，数控化率达70%.

我国从1958开始研究数控机械加工技术，60年代针对壁锥，非圆齿轮等复杂形状的工件研制出了数控壁锥铣床，数控非圆齿轮插齿机等设备，保证了加工质量，减少了废品，提高了效率，取得了良好的效果。70年代针对航空工业等加工复杂形状零件的急需，从1973年以来组织了数控机床攻关会战，经过三年努力，到1975年己研制出了40多个品种300多台数控机床。经过30年的努力，我国数控机床和数控系统的研制也历经了第一代电子管灵敏控、第二代晶体管数控及第三代集成电路数控。从1975年到1979年，7年内累计生产数控机床4108台（其中约3/4以上的数控线切割机床）。进入80年代，我国重新重视发展数控技术，采取了暂从国外引进控制机和伺服驱动系统，为国内主机配套的方针。1981年，我国从日本FANUC公司引进了FANUC3系列、5系列、7系列的数控系统和在直流伺服电机，直流主轴电机 技术，并在北京机床研究所建立了数控设备厂。于1981年底开始验收投产，1982年生产约40套系统，1982年生产约100套系统，1985年生产约400套系统，伺服电机与主轴电机也配套生产。这些系统是外国70年代的水平，功能较全，可靠性能比较高，这样就使机床行业发展数控机床有了可靠的基础，使我国的主机品种与技术水平都有成套的发展与提高。我国己有少数产品开始进入国际市场，还有几种合作生产的数机床返销国外。目前，我国除了能独立地设计与生产常规的数控机床外，还能生产五坐标数控铣床，加工中心以及柔性制造系统，如北京机床研究所开发研制的JCS-FMC=1，JCS=FMC-2柔性加工单元，XH715型立式加工中心，昆明机床床厂THK4680型全闭环精密加工中心，沈阳中捷友谊厂的TK66100卧式铣削加工中心，青海第一机床厂的XH754卧式加工中心等。这一切都说明，我国的机床数控技术进入新的发展时期，预计在不远的将来会赶上或超过世界先进国家水平。

内容简介：
摘 要随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高，加工设备的机械加工设备的加工的精密程度也要求越来越高。而在中国的机械加工设备的车床中普通车床占了很大比例。这已经越来越制约着当今工业的发展。而数控机床由于价格昂贵，且需要较高技术的加工工人。所以对机床进行自动化改造很是必要。本篇论文是在对普通卧式车床C6140的基础上对其进行自动化改造。作者在搜索、查阅研究大量有关资料的基础上，对机床自动化改造技术进行了深入的研究和分析，并描述了机床控制系统的设计。整个改造过程主要对车床纵、横向进给系统进行改造，选用自动转位刀架，由脉冲发生器来加工所需要的螺纹。整个控制系统以单片机为中心，通过编程对机床的驱动设备进行控制以达到所需要的加工程度。关键词：机床改造； 自动化机床； 控制系统ABSTRACTWith 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 C6150 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. 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 8031 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目 录第1章 绪论1第2章 国内外发展概况及现状介绍5第3章 总体方案论证63.1确定何种传动系统63.2选择传动装置63.3选择润滑方式7第4章 具体设计说明84.1伺服电机型号选择94.1.1进给电机功率的确定94.1.2伺服电机型号94.2纵向进给滚珠丝杠副的设计选择104.2.1确定滚珠丝杠的支承方式114.2.2滚珠丝杠副参数的确定124.2.3对选定的滚珠丝杠副参数进行核算13第5章 结论22参考文献23附件清单241绪论经济型数控车床纵向进给系统设计及进给系统的润滑设计。“主传动系统”“纵向进给系统”和“横向进给系统”可称为车床的三大核心系统，其重要地位更是不言而喻的。三大系统的精确性、准确性、必将影响加工产品的性能。为什么我国的机械制造业与西欧等国家的制造业有着很大的差距，这就是因为我们没有精良的加工工具或者是自动化系数远远的不及他们。制造业是关系到国际民生的大事，是富民强国的必要因素，必须在较短的时间内形成我们独立自主的现代化制造体系。随着时代的发展，科技的日新月异，数控技术的应用范围日益扩大，数控机床及其系统己成为现代化机器制造业中不可缺少的组成部分。鉴于我国机床拥有量大、工业生产规模小的特点，突出的任务是用较少的资金迅速改变机械工业落后的生产面貌，使之尽可能地提高自动化程度，保证加工质量，减轻劳动强度，提高经济效益。而实现这一任务的有效的、基本的途径就是普及应用经济型数控，并对原有的机床进行数控改造。这就是本课题的来由。前提条件：l 床身上最大回转直径为400mml 加工最大工作长度1000mml 快进速度 z轴8 m/min.l 定位精度 z轴0.04 mm.l 重复定位精度 z轴0.01 mm.设计要求：纵向进给运动设计时，电机与丝杠采用柔性连接，电机选用伺服电机对电机的大小选择进行验证，对滚珠丝杠直径及支承形式选择进行强度较核。润滑系统设计要做到润滑充分且达到各个润滑点。本课题所设计的进给系统是针对经济型中档数控车床的，该系统设计成功一旦应用到生产实践中，将给中小规模的加工厂输入新的血液。显著提高生产力水平，减轻劳动强度，提高经济效益。根据自己几个月来的设计过程，编写了这本设计说明书，由于自己的经验不足，所学的知识有限，书中肯定存在着相当的一些问题，期望领导、老师给予批评、指正。 2 国内外发展概况及现状介绍1自从第一台商品数控机床问世以来 ，到1965年，世界主要工业国家的数控机床己进入了大批量生产阶段。数控机床的产量，拥有量，数控化率都在急速上升。1970年前美国处于领先地位。1971年苏联生产数控机床2538台，一举超过美国，名列世界第一。1977年以前，苏联一直保持产量优势，以后日本的半导体技术及计算机技术迅猛发展，促进了数机床的生产。1976年日本数控机床产量是3300台，1978年时为7300台，1980年为22000台，到1981年仅用4年时间便超过了其他各国而成为世界上最大的数控机床生产国，产量达到26000台，基本上两年翻一番。1981年，日本、美国、联邦德国、法国、英国五国的数控机床总产量为39000台，其中日本占66.2%，美国占19.8%，联邦德国占8.3%,法国占2.9%，英国占2.8%。到期988年，日本年产数控机床约为50000台，数控化率达70%.我国从1958开始研究数控机械加工技术，60年代针对壁锥，非圆齿轮等复杂形状的工件研制出了数控壁锥铣床，数控非圆齿轮插齿机等设备，保证了加工质量，减少了废品，提高了效率，取得了良好的效果。70年代针对航空工业等加工复杂形状零件的急需，从1973年以来组织了数控机床攻关会战，经过三年努力，到1975年己研制出了40多个品种300多台数控机床。经过30年的努力，我国数控机床和数控系统的研制也历经了第一代电子管灵敏控、第二代晶体管数控及第三代集成电路数控。从1975年到1979年，7年内累计生产数控机床4108台（其中约3/4以上的数控线切割机床）。进入80年代，我国重新重视发展数控技术，采取了暂从国外引进控制机和伺服驱动系统，为国内主机配套的方针。1981年，我国从日本FANUC公司引进了FANUC3系列、5系列、7系列的数控系统和在直流伺服电机，直流主轴电机 技术，并在北京机床研究所建立了数控设备厂。于1981年底开始验收投产，1982年生产约40套系统，1982年生产约100套系统，1985年生产约400套系统，伺服电机与主轴电机也配套生产。这些系统是外国70年代的水平，功能较全，可靠性能比较高，这样就使机床行业发展数控机床有了可靠的基础，使我国的主机品种与技术水平都有成套的发展与提高。我国己有少数产品开始进入国际市场，还有几种合作生产的数机床返销国外。目前，我国除了能独立地设计与生产常规的数控机床外，还能生产五坐标数控铣床，加工中心以及柔性制造系统，如北京机床研究所开发研制的JCS-FMC=1，JCS=FMC-2柔性加工单元，XH715型立式加工中心，昆明机床床厂THK4680型全闭环精密加工中心，沈阳中捷友谊厂的TK66100卧式铣削加工中心，青海第一机床厂的XH754卧式加工中心等。这一切都说明，我国的机床数控技术进入新的发展时期，预计在不远的将来会赶上或超过世界先进国家水平。3 总体方案论证31确定何种传动系统经济型的数控机床动力系统可分为三类 步进电机式:采用步进电机驱动与定位，是开环系统，同时限于造价，不再采用其它措施补偿位置误差。由于目前功率步进电机力矩还不太大，所以机床的空选挡速度较低，一般用于半精加工。这种系统具有2-3种插补功能，通过软件控制接口，可加工锥面，螺纹，简单外形的曲面等十分灵活。由于性价比较恰当，一般中小型企业在技术力量和财力上都比较容易实现，因此在全国较容易推广和普及。交流点位式:采用交流电机变频驱动，用光栅数字点位控制，与步进电机相比，提高了定位精度。光栅分辨率可达0.001mm，重复定位精度为0.005mm，所以加工精度较高。由于采用交流电机驱动，功率大，可进行大切屑量加工零件加工中，效果尤为显著。目前，交流点位式系统只能加工柱面，不能加工曲面和螺纹，功能上有限，而且成本高，使性能价格比相对下降，一般用于大企业或专业化工厂使用，国内用的很少。半闭环连续控制式采用直流伺服电机驱动，以脉冲编码器检测位置，实现半闭环连续控制。由于采用高性能直流伺服电机驱动，扭矩大，速度高，过载能力强，可进行强力切削。当丝杠螺母在6mm左右时，快速可达89m/min，且不丢步，效率高。该系统功能齐全，还带有可编程序控制器，使强操作大大简化。以上三种驱动方式而言，各有利弊。经过比较选择直流伺服电机驱动因为速度高，过载能力强，且拥有可编程序控制器，易学易用，在机床伺服控制系统中，步进电机开环执行单元，具有控制方便可靠，价格低，且适合于开环控制等特点，因此在简易数控机床中得到广泛的应用。但由于步进电机步距角、功率较小，存在振荡等弱点的限制，在高精度大功率应用场合并不很合适，故考虑采用伺服电机控制。3.2 选择传动装置数控机床的传动装置是将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链及其附属结构。包括齿轮减速机，丝杠螺母副，导轨、工作台等。在数控机床数字调节技术当中，传动装置是伺服系统中的一个重要环节，因此，数控机床的传动装置与普通机床中传动装置上有重要差别，故它的设计与普通机床传动装置的设计不同。数控机床传动装置的设计要求除了有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好，为确保数控机床进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械传动装置时，通常提出了无间隙，低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率有适应阻尼比的要求。设计任务要完成的设计是纵向进给系统的设计，一般来说此种系统的传动装置采用螺旋传动。螺旋传动主要用来把旋转传动变为直线运动，或把直线传动变为旋转运动。其中，有传递能量为主的传力螺旋；有以传递运动为主，并要求有较高的传动精度的传动螺旋；还有调节零件相互位置的调整螺旋。螺旋传动机构又有滑动丝杠螺母、滚珠丝杠螺母和液压丝杠螺母机构。在经济型数控机床的进给系统中，螺旋传动主要来实现精密的进给运动，并广泛采用滚珠丝杠副传动机构。选用滚珠丝杠副传动机构，因为此种机构有如下特点：a. 传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率为：0.920.96，比常规的丝杠螺母副提高了34倍（滑动丝杠效率为0.2 0.4）,因此，功率消耗只当于常规丝杠副的1/4 1/3。b. 给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区。定位精度高，刚度好。c. 有可逆性，可以从旋转运动转化为直线传动，也可以从直线传动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。d. 磨损小，使用寿命长，精度保持性好。33 选择润滑方式润滑方式总体来说分为手动润滑和自动润滑，前者在现代化的加工制造业中使用己变得越来越少。本课题的润滑系统有六个润滑点：床鞍的两个导轨（2点）拖板上的两个导轨（2点）纵向进给丝杠螺母副的润滑（1点）横向滚珠丝杠副的润滑（1点）VERSA电子程控润滑器C型。由一套电子装置控制电子齿轮泵，以时间或计数的周期方式工作，适用于单阻尼的润滑系统。广泛用于机械制造、纺织、冲压、包装机械、印刷机械等领域，是一种多用途，高性能的程控润滑设备。因此选择VERSA电子程控润滑器能满足润滑系统的要求。4 具体设计说明伺服控制系统一般都是闭环或半闭环控制系统： 图3-1 伺服控制系统框图图3-1中给出了典型的伺服控制系统的框图。这是一个三环控制系统，外环是位置控制环，是决定系统主要性质的基本控制环，它决定着系统的位置控制精度；速度控制环用于实现速度的调节和速度大小控制精度；电压控制环可实现对伺服放大器的电压控制。半闭环控制： 图3-2半闭环控制半闭环控制系统不但有前向的指令控制通道，而且有检测元件输出的反馈控制通道，而检测元件是安装在丝杠轴或电机轴上的，检测同角位移后，推算出工作台的实际位移。以偏差值实现位置控制。此系统由于检测元件检测的反馈信号不包含从旋转轴到工作台之间的传动链的误差，这部分误差将不能被自动补偿。因此这种由等效反馈信号组成的控制系统为半闭环控制系统。闭环控制： 图3-3闭环控制闭环控制与半闭环控制其组成原理及控制方法基本相同。在闭环控制系统中，要求以工作台（或刀架）的最终控制输出作为反馈信号，即要求测量元件安装在工作台上，而不是安装在丝杠或电机轴上。但因直接测量工作台的实际位移，需配备如光栅、磁栅或感应同步器等安装和维修要求都比较高的位置检测元件，这使整个系统的价格提高。由于闭环控制能对整个系统误差进行自动补偿，因此，其精度比半闭环控制要高，精度取决于位置检测元件的测量精度。总之，这种控制方式的优点是精度高、速度快，但调试和维修比较复杂，适宜于大型和精密的数控机床。41 伺服电机型号选择41.1进给电机功率的确定2在进给运动的速度较低的情况下，空载功率很小，计算时可以略去，进给电机的功率可根据进给的有效功率和传动件的机械效率来计算：即： (3-1)式中： Ns-进给电动机功率（KW）Q-进给抗力（公斤力）Vs-进给速度（米/分）Ys-进给传动的总机械效率（一般可取0.150.20）根据资料显示,CDJK6140系列车床的最大切削主力F=2750N 即Pz=2750N故进给力 ： Px=0.5Pz =1375N Ys取0.2 Vs=8m/min 代入(3-1) 式 41.2伺服电机型号考虑到进给系统的过载现象,选择型号为110SNMA9的永磁无刷伺服电机。参数如下表：表4.1 参数表额定功率额定转矩额定转速额定电流转子惯量电机时间常数机械时间常数1.884kw9N.m3000r.Pm7.0A0.718103kg.m26.1ms0.85ms42纵向进给滚珠丝杠副的设计选择 在一般情况下，设计滚珠丝杠时，必须知道下列条件：最大工作负载 Fmax（或平均工作负载Fm）作用下的使用寿命T，丝杠的工作长度L（或螺母的有效行程），丝杠的转速n（平均转速n），滚道的硬度HRC及丝杠的运转情况，然后按下列步骤进行设计。a、 计算作用在滚珠丝杠上的最大动负载Ca的数值。b、 从滚珠丝杠设计标准中，找出相应尺寸系列对应的最大动载荷Ca的相近值，并初选型号。c、 根据具体工作要求，对于结果尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率等方面的要求，从初选的几个型号中再挑选出比较合适的公称直径d0、导程L0、滚珠列数k、滚珠圈数j等确定某一型号。d、 根据所选出的型号，列出（或算出）其主要参数的数值；验算其刚度及稳定性系数是否满足要求。若不满足要求，则需要另选其它型号，再做上述的计算和验算直至满足要求为止。421确定滚珠丝杠的支承方式： 螺母座，丝杠的轴承及其支架等刚度不足将严重影响滚珠丝杠副的传动刚度。因此螺母座应有加强筋，以减少受力后的变形，螺母与床身的接触面积宜大些，其联接螺钉的刚度也应与高位销要紧密配合，不能松动。滚珠丝杠常用推力轴承支承，以提高轴向刚度，当滚珠丝杠的轴向负荷很小时，也可用角接触球轴承支承，滚珠丝杠在机床上的安装支承方式有以下几种：一端固定：图4-1 滚珠丝杠一端固定图这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低。只适用于短丝杠，一般用于数控机床的调节环节或升降台式数控铣床的立向坐标中。两端支持：图4-2 滚珠丝杠两端支持此种方式可用于丝杠较长的情况。应将止推轴承离液压马达及丝杠的常用段，以减少丝杠热变形的影响。一端固定，一端支持： 图4-3 滚珠丝杠一端固定一端支持把角接触球轴承装在滚珠丝杠的两端，并旋加预紧拉力，这样有助于提高刚度，但这种安装时丝杠的热变形较为敏感，轴承寿命较两端装推力轴承及向心球轴承方式低。两端固定： 图4-4 滚珠丝杠两端固定两端装推力轴承，为使丝杠具有最大的刚度的两端可用双重支承，并加预紧力。这种结构方式不能精确地预先测定预紧力，预紧力大小是由丝杠的温度转化而产生的设计时要求提高推力轴承的承载能力和支架强度。根据设计所要的丝杠副的高精度，中等转速，选择G-J形式安装。4 .2. 2 滚珠丝杠副参数的确定：2额定动载荷Ca： 滚珠丝杠在工作过程中承受轴向负载，使得滚珠和滚道型面产生接触应力，对滚道型面上某一点，是交变接触应力。在这种交变应力的作用下，经过一定的应力循环次数后，滚珠或滚道型面产生疲劳损伤，从而使得滚珠丝杠丧失工作性能，这是滚珠丝杠副破坏的主要形式。在设计滚珠丝杠副时，必须保证它在一定的轴向负载的作用下，在回转10转后，滚道上虽然受滚珠压力，但不应有点蚀现象发生，此时所能随的轴向负载称为这种滚珠丝杠能承受的最大动负荷Ca。 工作负荷P是指数按机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向 压力，它的数值可用下列进给牵引力的实验公式计算：对于燕尾形导轨的机床 式中： F1、F1、F2-X、Y、Z 方向上的切削分力（N）G - 移动部件的质量（N）；-导轨上的磨擦系数；K-考虑颠覆力矩影响的实验系数；在正常情况下，K、可以下列数值：对于燕尾形导轨K=1.4 =0.2在设计滚珠丝杠副时，首先从工作负荷Fa推算出最大动负荷Ca，设计时可采用计算滚珠轴承的方法，由疲劳强度公式知：即：式中 Ca-最大动负荷；Fa-工作负荷；L-寿命（以106转为单位1） 式中 n-滚珠丝杠的转速 (r/min) T-使用寿命时间（普通机床10000h） L=20转如果工作负荷在 Fmin和Fmax之间单调变化勤周期性单调连续变化，则其平均负荷Fm，可按下式近似计算 式中 Fmax- 最大工作负荷(N)； Fmin- 最小工作负荷(N)。 则：Ca= Fmax=0.5Pz Pz为主切削分力 Fmax=1375N Fmin=35%Fmax=481.25N 所以： 故： Ca=2.71Fm=2912N额定静载荷Cao 如果滚珠丝杠副是在低速（n=Fmax）的要求，从系列列表中选定所设计丝杠副的公称直径的d0，并查处相应的其它尺寸。计算静负荷Cmo：Cmo=KrKhFmax 即 CmoCmo=1.521375=4125N根据Ca2919N；Cao4125N 来选择丝杠，选择FYND4005-4型滚珠丝杠副，其参数如下： 表4.2 滚珠丝杠参数表主要尺寸：计算公式公称直径 do40mm基本导程 Lo5mm 滚珠直径 db3.175mm 接触角 滚道圆弧半径R=1.762125mm 螺旋升角 滚道圆弧偏心距e=0.12345mm 丝杠大径dmm 丝杠小径d1mm螺母大径Dmm 螺母小径D1mm4.2.3 对选定的滚珠丝杠副参数进行核算：1 滚珠丝杠副的预加负荷：在滚珠丝杠副上施加预紧力后，可提高轴向刚度和传动精度。但预紧力不可过大，过大则影响丝杠副的使用寿命。因此，要在满足所需寿命和精度要求的条件下，合理决定预紧力的大小。滚珠和螺纹滚道间由于受轴向力的作用而产生轴向变形，在弹性变形范围内，变形量的大小可按赫兹公式计算： 式中 k与滚道的曲率半径、材料的弹性模具有关的系数。对与一确定的丝杠副来说，K是常数。因此，只是P的函数，将随P的变化关系做出曲线，如图所示，在曲线起始段，随P的变化较快，当P增加到P0后，变化较慢，接近于某斜率直线。在实际应用时，总希望受载后丝杠变形尽可能小些，即刚度性能好。据此，可施加一定的预紧力P预=P 0,对应于丝杠变形为0，这样在受到轴向工作载荷PP0时，变形就进入曲线后半部的直线段了，载荷的变化对变形的影响就非常小了。 图4-5 预紧力确定关系图在上图中，设对螺母A、B施加了预紧力P0，相应的变形0。当外加轴向工作载荷P时，螺母B在接触点处产生了的弹性变形，而螺母A由于弹性恢复（P与P0反向之故），其接触点上的变形量反而减少了，其结果螺母A、B在P0的共同作用下，总变形量为： =- =-此时，若继续增大P，则螺母A中的滚珠负荷减少，变形A亦随之减少，当P增加到一定数值时，与0相等，A00，这时螺母A中滚珠和滚道刚好接触，如果再继续增大P，就会出现间歇。因此，要保证丝杠在最大轴向载荷Pmax作用下没有间歇，P0就必须满足一定的关系。下面求出这种关系： 当A00时，0，此时螺母的变形为： =+=2又因为 = 0=K 所以得到： =2 K即： P0=P预=Pmax 由此得到结论：在双螺母预紧力的滚珠丝杠副中，为使螺母和丝杠之间不出现间歇，应使预紧力近似等于最大轴向载荷的1/3。P0过小，不能保证无间歇传动；P0过大，会降低传动效率和承载能力。 Fp=Fmax =458N最大轴向压缩载荷：机床的进给丝杠通常是受轴向力的压杆，若轴向力过大，将使丝杠失去稳定而产生翘曲。滚珠丝杠受压力作用后在弹性范围的临界稳定载荷Fc: Fc=采用G-J支撑形式时： m=2010（） 为公称直径（mm） d为滚珠直径（mm） L为丝杠轴的支撑距离（mm）则： 当水平位置时许用稳定安全系数=4 即：F为丝杠最大轴向压缩载荷滚珠丝杠的极限转速:极限转速的计算为使丝杠副在高速运转时不发生共振现象，应对其极限转速进行核算。当丝杠发生共振时转速称为临界转速，以 Nc表示： 式中 ：为公称直径（mm）d为滚珠直径（mm） Ko为丝杠轴的支撑结构系数，采用G-J 形式K=2.5 极限转速n满足： Nc=121 N0.8Nc=2.36滚珠丝杠副的刚度: 滚珠丝杠副的刚度K： 式中： K为滚珠丝杠副的刚度； K j为滚珠的轴向接触刚度； K1为螺母的安装刚度； Kg 为丝杠轴的安装刚度 当有预加负荷Fp且为额定动载荷的1/10时，Kj可近似的以下式表示： 式中：F为轴向工作载荷（N）db为滚珠直径，（mm）ZZ圈数列数Z为一圈滚珠数内循环 Z=d0/db-(35)粒d0为公称直径Kj0.541.4103 N/m螺母支撑刚度K1：K1其中：A为螺母横截面积E2.1105Ln为螺母支承面至有效滚延间的长度A1.6103 mm2故，K1（1.61032.1105）/（1000103）3.4103（N/m）丝杠轴的支承刚性Kg 图4-6 滚珠丝杠一端固定一端支持当采用图示的支承方式：Kg=()/（1546108）1.0103（N/m）滚珠丝杠副的刚度K：因为： 所以K=1/( )=0.5103 （N/m）驱动力矩及驱动功率：使丝杠旋转运动所需驱动力矩：Ma（FPh）/（2000 ） (N.m)公称导程Ph5mm 0.9 所以Ma1.22N.m由预紧力所产生的摩擦力矩MfK （N.m）Mf=0.5103N.m总驱动力矩：MMaMf M=Ma+Mf=1.24N.m所需功率W （Kw）W=式中：F为轴向载荷 Ph为公称直径 为效率选择丝杠轴承 3：丝杠采取一端轴向固定，一端简支的方式，固定端采取一对推力角接触球轴承，面对面组配。型号为7205C。内径外径宽为25mm52mm15mm。额定动载荷为C15.8kN。预加载荷 Fo=458N,平均载荷Fm=1077N 所选丝杠的基本导程Lo=5mm，要求快进速度 8m/min.因此丝杠的最大转速 Vmax=r/min设丝杠的最小转速 Vmin=1r/min故平均速度r/min轴承寿命： L 能满足要求。简支端轴承只承受丝杠的部分重量，不需计算。滚珠丝杠与伺服电机的连接: 图4-6 连轴器关系图滚珠丝杠可通过联轴器与伺服电机直接联结，为了消除丝杠与电机轴之间的同轴度和垂直度误差，可用弹性联轴器。如上图所示，弹性片分别用螺钉和两边的联轴器通过柔性片传递力矩。在实际生产过程中，为了满足丝杠既能电动控制又能手动调整的特点，在丝杠与电机之间设计了连接轴，三者的连接方式如下图。 图4-7 连接轴关系图结 论至今为止，基本上完成了本课程的设计要求，课题的主要设计内容包括：伺服电机的选择，丝杠结构设计，伺服电机与丝杠的连接形式设计、丝杠与床鞍的连接设计、丝杠的支承方式设计、进给系统的润滑设计。进给系统运转精度、直接将导致整个机床的加工精度。因此，丝杠精度的选择，丝杠的支承如何保证轴向定位精度等关键性问题是急需解决的。由于自身的经验有限，面对这些关键性问题只能从理论上去寻求解决的方法。因此，自己所设计的结构和运用到生产实践中仍相距甚远。参考文献1张新义.经济型数控机床系统设计.北京：机械工业出版社，1994.72范云涨,陈兆年. 金属切削机床设计简明手册.北京：机械工业出版社，1994.73戴曙.金属切削机床手册.北京：机械工业出版社 1995.104李 洪.实用机床设计手册.沈阳：辽宁科学技术出版社,1999.15王启义,蔡群礼,胡宝珍.金属切削机床设计.东北工学院出版社, 1989.106成大先.机械设计手册-单行本润滑与密封.北京:化工出版社 ,2004. 17黄祖德.机械设计.北京:理工大学出版社 ,1992.68吴宗泽.机械设计禁忌500例.北京:机械出版社, 19969黄鹤订.国家机械工业局-中国机电产品目录10册.北京:机械出版社 ,2000.710滚珠丝杠.上海:川浦机械实业公司样本11电动润滑泵.南京:贝奇尔机械产品有限公司样本12钢带保护套.沧州:长城机械制品有限公司样本 附件清单纵向进给系统装配图 CJK30000 A0 1张连接轴 CJK30101 A3 1张隔套1 CJK30102 A4 1张隔套2 CJK30103 A4 1张隔套3 CJK30104 A4 1张隔套4 CJK30105 A4 1张轴承端盖 CJK30106 A4 1张法兰支架 CJK30107 A3 1张螺母座侧护壳 CJK30108 A4 2张法兰A CJK30109 A3 1张 法兰B CJK30110 A3 1张螺母座 CJK30111 A1 1张法兰C CJK30112 A3 1张纵向滚珠丝杠副 CJK30113 A2 1张法兰D CJK30114 A4 1张丝杠支架封盖 CJK30115 A4 1张丝杠支架 CJK30116 A3 1张连轴器护壳 CJK30117 A3 1张电机支座 CJK30118 A1 1张8圆锥销 CJK30119 A4 1张前挡板 CJK30120 A4 1张丝杠防护罩 CJK30121 A3 1张油管 CJK30122 A4 1张床鞍 CDJK40101 A0 1张润滑系统装配图 CJK41000 A2 1张25前提条件：l 床身上最大回转直径为400mml 加工最大工作长度1000mml 快进速度 z轴8 m/min.l 定位精度 z轴0.04 mm.l 重复定位精度 z轴0.01 mm.设计要求：纵向进给运动设计时，电机与丝杠采用柔性连接，电机选用伺服电机对电机的大小选择进行验证，对滚珠丝杠直径及支承形式选择进行强度较核。润滑系统设计要做到润滑充分且达到各个润滑点。本课题所设计的进给系统是针对经济型中档数控车床的，该系统设计成功一旦应用到生产实践中，将给中小规模的加工厂输入新的血液。显著提高生产力水平，减轻劳动强度，提高经济效益。根据自己几个月来的设计过程，编写了这本设计说明书，由于自己的经验不足，所学的知识有限，书中肯定存在着相当的一些问题，期望领导、老师给予批评、指正。摘 要随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高，加工设备的机械加工设备的加工的精密程度也要求越来越高。而在中国的机械加工设备的车床中普通车床占了很大比例。这已经越来越制约着当今工业的发展。而数控机床由于价格昂贵，且需要较高技术的加工工人。所以对机床进行自动化改造很是必要。本篇论文是在对普通卧式车床C6140的基础上对其进行自动化改造。作者在搜索、查阅研究大量有关资料的基础上，对机床自动化改造技术进行了深入的研究和分析，并描述了机床控制系统的设计。整个改造过程主要对车床纵、横向进给系统进行改造，选用自动转位刀架，由脉冲发生器来加工所需要的螺纹。整个控制系统以单片机为中心，通过编程对机床的驱动设备进行控制以达到所需要的加工程度。关键词：机床改造； 自动化机床； 控制系统ABSTRACTWith 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 C6150 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. 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 8031 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目 录第1章 绪论1第2章 国内外发展概况及现状介绍5第3章 总体方案论证63.1确定何种传动系统63.2选择传动装置63.3选择润滑方式7第4章 具体设计说明84.1伺服电机型号选择94.1.1进给电机功率的确定94.1.2伺服电机型号94.2纵向进给滚珠丝杠副的设计选择104.2.1确定滚珠丝杠的支承方式114.2.2滚珠丝杠副参数的确定124.2.3对选定的滚珠丝杠副参数进行核算13第5章 结论22参考文献23附件清单241绪论经济型数控车床纵向进给系统设计及进给系统的润滑设计。“主传动系统”“纵向进给系统”和“横向进给系统”可称为车床的三大核心系统，其重要地位更是不言而喻的。三大系统的精确性、准确性、必将影响加工产品的性能。为什么我国的机械制造业与西欧等国家的制造业有着很大的差距，这就是因为我们没有精良的加工工具或者是自动化系数远远的不及他们。制造业是关系到国际民生的大事，是富民强国的必要因素，必须在较短的时间内形成我们独立自主的现代化制造体系。随着时代的发展，科技的日新月异，数控技术的应用范围日益扩大，数控机床及其系统己成为现代化机器制造业中不可缺少的组成部分。鉴于我国机床拥有量大、工业生产规模小的特点，突出的任务是用较少的资金迅速改变机械工业落后的生产面貌，使之尽可能地提高自动化程度，保证加工质量，减轻劳动强度，提高经济效益。而实现这一任务的有效的、基本的途径就是普及应用经济型数控，并对原有的机床进行数控改造。这就是本课题的来由。前提条件：l 床身上最大回转直径为400mml 加工最大工作长度1000mml 快进速度 z轴8 m/min.l 定位精度 z轴0.04 mm.l 重复定位精度 z轴0.01 mm.设计要求：纵向进给运动设计时，电机与丝杠采用柔性连接，电机选用伺服电机对电机的大小选择进行验证，对滚珠丝杠直径及支承形式选择进行强度较核。润滑系统设计要做到润滑充分且达到各个润滑点。本课题所设计的进给系统是针对经济型中档数控车床的，该系统设计成功一旦应用到生产实践中，将给中小规模的加工厂输入新的血液。显著提高生产力水平，减轻劳动强度，提高经济效益。根据自己几个月来的设计过程，编写了这本设计说明书，由于自己的经验不足，所学的知识有限，书中肯定存在着相当的一些问题，期望领导、老师给予批评、指正。 2 国内外发展概况及现状介绍1自从第一台商品数控机床问世以来 ，到1965年，世界主要工业国家的数控机床己进入了大批量生产阶段。数控机床的产量，拥有量，数控化率都在急速上升。1970年前美国处于领先地位。1971年苏联生产数控机床2538台，一举超过美国，名列世界第一。1977年以前，苏联一直保持产量优势，以后日本的半导体技术及计算机技术迅猛发展，促进了数机床的生产。1976年日本数控机床产量是3300台，1978年时为7300台，1980年为22000台，到1981年仅用4年时间便超过了其他各国而成为世界上最大的数控机床生产国，产量达到26000台，基本上两年翻一番。1981年，日本、美国、联邦德国、法国、英国五国的数控机床总产量为39000台，其中日本占66.2%，美国占19.8%，联邦德国占8.3%,法国占2.9%，英国占2.8%。到期988年，日本年产数控机床约为50000台，数控化率达70%.我国从1958开始研究数控机械加工技术，60年代针对壁锥，非圆齿轮等复杂形状的工件研制出了数控壁锥铣床，数控非圆齿轮插齿机等设备，保证了加工质量，减少了废品，提高了效率，取得了良好的效果。70年代针对航空工业等加工复杂形状零件的急需，从1973年以来组织了数控机床攻关会战，经过三年努力，到1975年己研制出了40多个品种300多台数控机床。经过30年的努力，我国数控机床和数控系统的研制也历经了第一代电子管灵敏控、第二代晶体管数控及第三代集成电路数控。从1975年到1979年，7年内累计生产数控机床4108台（其中约3/4以上的数控线切割机床）。进入80年代，我国重新重视发展数控技术，采取了暂从国外引进控制机和伺服驱动系统，为国内主机配套的方针。1981年，我国从日本FANUC公司引进了FANUC3系列、5系列、7系列的数控系统和在直流伺服电机，直流主轴电机 技术，并在北京机床研究所建立了数控设备厂。于1981年底开始验收投产，1982年生产约40套系统，1982年生产约100套系统，1985年生产约400套系统，伺服电机与主轴电机也配套生产。这些系统是外国70年代的水平，功能较全，可靠性能比较高，这样就使机床行业发展数控机床有了可靠的基础，使我国的主机品种与技术水平都有成套的发展与提高。我国己有少数产品开始进入国际市场，还有几种合作生产的数机床返销国外。目前，我国除了能独立地设计与生产常规的数控机床外，还能生产五坐标数控铣床，加工中心以及柔性制造系统，如北京机床研究所开发研制的JCS-FMC=1，JCS=FMC-2柔性加工单元，XH715型立式加工中心，昆明机床床厂THK4680型全闭环精密加工中心，沈阳中捷友谊厂的TK66100卧式铣削加工中心，青海第一机床厂的XH754卧式加工中心等。这
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