JC02-007@C618数控车床的主传动系统设计
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JC02-007@C618数控车床的主传动系统设计,机械毕业设计全套
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第一章 概论 一、数控系统发展简史 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 二、国内数控机床状况分析 （一）国内数控机床现状 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已 有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以 FMS 模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001 年，我国机床工业产值已进入世界第 5 名，机床消费额在世界排名上升到第 3 位，达 47.39 亿美元，仅次于美国的 53.67 亿美元，消费额比上一年增长 25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势， 2001 年进口机床跃升至世界第 2 位，达 24.06 亿美元，比上年增长 27.3%。 近年来我国出口额增幅较大 的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。 （二）国内数控机床的特点 1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。 2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。 2001 年国内数控金切机床产量已达 1.8 万台，比上年增长 28.5%。金切机床行业产值数控化率 从 2000 年的 17.4%提高到 2001 年的 22.7%。 3、 数控机床发展的关键配套产品有了突破。 三、数控系统的发展趋势 1. 继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展 基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。 PC 机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 2. 向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 3. 向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。 （ 1）应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 （ 2）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （ 3）引入故障诊断专家系统 nts（ 4）智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。 四、机床数控化改造的必要性 （一）微观看改 造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 1 、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2 、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 3 7 倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就 可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了 柔性自动化 。 3、 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要 修配 。 4 、可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 5、 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看 管加工。 6、 由以上五条派生的好处。 如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少 了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 （二） 宏观看改造的必要性 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、 80 年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994 年已达 20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 数控化改造的市场空间 机床的数控制化改造是一个方兴未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如： 在美国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个 永恒 的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业所以不难看出： 1国内的市场 我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.6 0.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年 产量数控化率为 6。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上； 10 年以下的机床中，自动 /半自动机床不到 20， FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 2. 进口设备和 生产线的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完nts全统计，从 1979 1988 年 10 年间，全国引进技术改造项目就有 18446 项，大约 165.8 亿美元。 这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工 艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 机床改造的效益分析 提高机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的途径，采用第二中方法有以下的优点： 1、 减少了投资和交货的期限 同购置新的数控机床相比，一般可以节省 60%到 80%的费用，改造的费用大大减低。 2、机械的稳定性可靠 机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源 ，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。 3、熟悉了解设备结构性能，便于操作维修 ， 购买的新设备，事先很难前面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。 4、可以充分利用现有的条件 可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以在利用。 5、可更好的因地制宜合理筛选功能 购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加 工有一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造的方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床。 6、可及时采用最新技术，充分利用社会资源 由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造 ，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还可以使得刮研极容易， 等等例子说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机场改造成当今水平的机床。 nts nts第三章 总体设计方案的确定 经总体设计方案的论证后，确定的 C618 的车床经济型数控改造的总体方案示意图如下图所显： C618 车床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机 ，有级变速部分采用电磁离合器控制机构 ；车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动，经步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需安装主轴脉冲发生器。 改造后的总体方案示意图如图 3-1 所示： 图 3-1 总体方案设计图 步进电动机车床加工工件图 纸工件 变速箱数控程序编 制变速箱步进电动机手工输入或计算机控制计算机功率放大器存储装置nts 第九章 典型零件的加工程序设计 图中 100mm 处不加工。编制加工程序步骤如下： （一）、 数控机床的选择 被加工零件为回转体零件，需进行倒角，螺纹，锥度，圆弧加工，选书空车床可满足要求 。 （二）、 加工程序划分 经分析确定工艺路线如下： 从右到左切削外轮廓，其路线为： 平端面 车 90 的外圆 车 80 的外圆 车 70 的外圆 车 60 的外圆 车 55 的外圆 倒角 2 45 锥度 圆弧加工 切槽 螺纹。 （ 三 ） 、 选择刀具、确定换刀点 根据加工要求选 用三把刀具， T01 号刀 车外圆， T02 号刀车螺纹 ， T03 号刀切槽，。绘制 零件车削图 （如下图所示），要注意正确选用换刀点，以避免刀具与车床、工件、夹具在换到时发生碰撞现象，本例换刀点选 A（ 200， 100） （ 四 ） 、 正确切削用量 根据数控加工的特点，本例切削用量确定如下：车外圆时，主轴转速取 600r/min（ S600），进给量取 0.15mm/r。切槽时，主轴转速取 300r/min（ S315）。进给量取 0.16mm/r。车螺纹时，主轴转速取 200r/min（ S200），进给量为 1.5mm/r，螺距 F1.5），切削深度为精加工余量。 图 8-1 车削零件图 nts（ 五 ） 、 编制精加工程序如下： ;工件尺寸 450 100 ;起始位置 X=50 Z=10 ;刀具 T01 为车刀 T02 为螺纹刀 T03 为切断刀 N01 G92 X100 Z10 N02 T1 N03 G00 Z0 N04 G01 X-1 N05 G00 X100 N06 G00 Z10 N07 G00 X95 N08 G01 Z-385 F40 N09 G00 X100 N10 G00 Z10 N11 G00 X90 N12 G01 Z-385 F40 N13 G00 X100 N14 G00 Z10 N15 G00 X85 N16 G01 Z-325 F40 N17 G00 X100 N18 G00 Z10 N19 G00 X80 N20 G01 Z-325 F40 N21 G00 X100 N22 G00 Z10 N23 G00 X75 N24 G01 Z-225 F40 N25 G00 X100 N26 G00 Z10 N27 G00 X70 N28 G01 Z-225 F40 N29 G00 X100 N30 G00 Z10 N31 G00 X65 N32 G01 Z-105 F40 ntsN33 G00 X100 N34 G00 Z10 N35 G00 X60 N36 G01 Z-105 F40 N37 G00 X100 N38 G00 Z10 N39 G00 X55 N40 G01 Z-105 F40 N41 G00 X100 N42 G00 Z10 N43 G00 X48 Z0 N44 G01 X55 Z-5 N45 G00 X100 N46 G00 Z10 N47 G00 X65 Z-105 N48 G01 X70 Z-205 N49 G00 X100 N50 G00 Z10 N51 G00 X60 Z-105 N52 G01 X70 Z-205 N53 G00 X100 N54 G00 Z10 N55 G00 X80 Z-245 N56 G92 X80 Z-245 N57 G05 X80 Z-305 I-2 K-30 F40 N58 G00 X80 Z-245 N59 G92 X80 Z-245 N60 G05 X80 Z-305 I-4 K-30 F40 N61 G00 X80 Z-245 N62 G92 X80 Z-245 N63 G05 X80 Z-305 I-6 K-30 F40 N64 G00 X80 Z-245 N65 G92 X80 Z-245 N66 G05 X80 Z-305 I-7 K-30 F40 N67 G00 X100 ntsN68 G00 Z10 N69 M05 N70 T03 M03 S300 N71 G00 Z-105 N72 G01 X46 F40 N73 G00 X100 N74 G00 Z10 N75 M05 N76 T02 M03 S200 N77 G00 X53 N78 G01 Z-100 F40 N79 G00 X100 N80 G00 Z10 N81 G00 X51 N82 G01 Z-100 F40 N83 G00 X100 N84 G00 Z10 N85 G00 X50 N86 G01 Z-100 F40 N87 G00 X100 N88 G00 Z10 N89 M05 N90 M02 nts第二章 普通车床的数控改和 可行性论证 对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的原则是：在满足设计要求的前途下，对机床的改动应尽可能的少，以降低成本。 一 车床的数控改造 （ 一 ） 、数控机床工作原理及组成 1. 数控机床工作原理： 数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按 照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。 2.数控机床的组成： 数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图 2-1 图 2-1 数控机床的组成图 （二） 、设计内容及任务 普通车床（ C618）的数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（ 包括纵向、横向进给系统的设计与计算 ）、主运动自动变速原理 及改造后的机床传动系统图的设计 、 机床调速电动机 控制电路的设计、电磁离合器的设计计算。 。 本设计任务是对 C618 卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为 0.01mm /脉冲，横向最小运动单位 0.005mm /脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。 （三）、数控部分的设计改造 1、数控系统运动方式的确定 数控系统按其运动轨迹可分为：点位控制系统、连 续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。 由于 C618 车床要加工复杂轮廓零数控装置控制介质测量装置伺服系统 机 床nts件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。 2、伺服进给系统的设计改造 数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。 闭环控制方案的优点是可以达到和好的机床精度，能补偿机械 传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维 修困难、造价高。 半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。 开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。 经过上序比较，由于所改造的 C618 车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。 3、 数控系统的硬件电路设计 数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能 的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。 数控装置的设计方案通常有： 可以全部自己设计制作 可以采用单板机或 STD 模块或工控机改制 可以选用现成的数控装置作少量的适应化改动 在普通机床的经济型数控改造中，由于第一种设计周期较长 且不经济，同时质量也难于保证。第二种则更加不经济。所以不课程设计将采取第三钟方案。 （四）、机械改造部分的设计 1、主传动部分的改造设计 将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴 变速机构。改造后使其主运动和进给 运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。 2、 进给机构的改造 将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由 滚珠丝杠 传动。 3、其它部件的改造 刀架部分：拆除原手动刀架和小拖板，安装由微机控制的四工位电动机刀架，该刀架具有重复定位精度高、刚性好、使用寿命长、工艺性好等优点。 nts二 可行性论证 根据自动化制造系统，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基 本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。 根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。 由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计，故在此，设计者仅对改造的投资概算作一简要的可行性论证。 本改造设计是对普通车床 C618 进行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是广州数控设备厂生产的 GSK980T 型数控 系统，加上两台伺服电机 ，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副，一台变频调速电动机，四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副 。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过 15 万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。 nts 第 五 章 伺服进给系统的改造设计与计算 伺服进给机构的设计是普通车床经济型数控改造的主要部分，如果说 CNC系统是数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么，伺服驱动系统便是数控机床的“四肢”，是执行机构，它忠实而准确的执行由 CNC系统发来的运动命令。伺服控制系统是联接数控系统与机床的枢纽，其性能是影响数控机床的精度、稳定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。 一、 伺服系统的组成原理和要求 (一 )、 伺服系统的组成原理 机床进给伺服系统主要由伺服驱动 控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。机床进给机械传动系统通常由减速齿轮、滚珠丝杠、机床导轨和工作台拖板等组成。对于伺服驱动控制系统，按其反馈信号的有无，分为开环和闭环两种控制方式。对于开环伺服系统只能由步进电机驱动，它由步进电机驱动电源和电动机组成。闭环伺服系统则分为直流电动机和交流电动机两种驱动方式，并且是双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器以及功率驱动放大器等部分组成。位置环 是由 CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。根据其位置检测信号所取部位不同，它又分为半闭环和全闭环两种。半闭环采用转角位置检测装置，安装于滚珠丝杠端部，或直接与伺服电动机转子的后端相连（与伺服电动机成一体）；对于全闭环系统需要采用直线位置检测装置，安装于机床导轨与工作台拖板之间。通常伺服驱动控制单元与电动机由一个生产厂家配套提供（甚至包括位置检测装置）。 （ 二 ） 、 伺服系统的要求 伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构。为确保机床的加工质量和效率，机床对其伺服系统有“ 稳、准、快、宽、足”五个要求，它反映了伺服驱动系统的五项性能指标 ,具体的内容如下 : 稳 即稳定性，也就是要求系统有较好的抗干扰性，保证电源、环境、负载等所产生的波动对其影响甚小，有较硬的调速机械特性，过载能力强，稳定性好，适应性好，以确保工件加工的一致性。 准 及准确性，为确保加工质量，除要求系统稳定外，还必须有较高的准确定位精度。数控机床是由数控系统发出指令自动完成整个加工过程，它不象普通机床那样，中间可以由操作者测量工件后再通过操纵手轮来修正加工偏差。由于数控机床是按加工程序一次完成加工，所以进给系 统的定位精度直接决定了工件的加工精度，这也是考核数控机床的一项至关重要的性能指标。 通常影响数控加工精度的主要因素有：数控系统精度（主要取决于插补运算精度）；伺服系统精度；机床机械精度（如主轴、刀架、工作台回转精度，刀具、工件装夹精度等）。其中伺服系统精度起主要作用。 nts快 即快速响应性。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，它不但要求静态误差小，也要求动态响应快，具体表现在起、停的升降速过程短，有较高的加速度，即要求系统的机电时间常数小，反应灵敏。 宽 即有较宽的调速范围。通常数控机床在实 际运行中，对工作台的进给速度要求满足两项指标：轻载快速趋近定位速度（即编程指令 G00 的速度）、切削进给速度（即编程指令G01、 G02等后面的 F 值所要求的速度）。 足 即有足够的输出扭矩或驱动功率。特别是要满足强力切削和高速切削的要求，并且还要求系统有相应的过载能力，以确保稳定性。 对进给伺服系统除了上述五项主要性能指标外，也要求温升低、噪声小、效率高、体积小、价格低、控制方便、线性度好（如输出速度与输入电压成线性）、可靠性高，维修保养方便，对温度、湿度等环境要求宽等等。 nts二 伺服进给机构的设计内容和设计计算 数控机床的伺服进给系统的控制方式有多种，如：开环控制闭环控制以及半闭环控制。 正如总体设计方案论证中所说，本设计任务的精度要求不高，结合经济型改造的特点，设计者采用以步进电机为驱动的开环控制方式来设计其伺服进给系统。下面对开换系统的控制形式及特点加以简要分析。 1、工作原理及控制特点 开环控制系统利用脉冲马达的伺服性能，即对应一定的脉冲，必定有一定的转角，从而通过丝杠螺母机构使工作台移动一定的距离。 2、定位精度 虽然开环控制系统很难保证较高的位置控制精 度，对于影响定位精度的机械传动装置的刚度、摩擦、惯量、间隙等的要求较高，一般在 0.01 0.02mm 之间；但对于经济型数控车床来说，定位精度要求并不高。 3、稳定性 结构简单，调试方便，工作可靠，稳定性好。 纵向进给系统的设计与计算 1、进给系统的设计内容 经济型数控车床的改造一般是将丝杠、光杠及安装座拆去，配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电动机及减速箱安装在车床的车尾。书控车床通过步进电动机经 减速驱动滚珠丝杠，带动刀架左右移动。 纵向进给系统设计的主要内容有：滚珠丝杠副的设计计算及选择、减速比的确定及减速箱的设计、步进电动机的选择 等。 2、纵向 进 给系统的设计计算 （ 1）已知条件： 1） 、纵向脉冲当量 p=0.001mm/脉冲； 2） 、纵向最高进给速度 Vfymax=2m/min； 3） 、 C618车床工作台质量 w=100kg=1000N（根据图形尺寸粗略计算）。 4） 、时间常数 T=25ms （ 2）、纵向进给切削力 Fz的确定 根据机床设计手册查出， adfPP=3 5% （ 5 1） 式中： Pdf -进给系统所需电机功率 Pa -主传动电机功率 由前面的设计计算可知： Pa=11kw nts取比例系数为 4% 则 Pdf= Pa 4%=0.44kw （ 5 2） 根据机床设计手册查出， Fy=fdffV P6120 （ 5 3） 式中： f-进给系统效率，其范围为 0.15 0.20， 取 f =0.175 Vf-进给速度（ m/min），查 实用机床设计手册可知： Vf=（ 1/2 1/3） Vfymax （ 5 4） 取 Vf=（ 1/2） Vfymax=1 m/min 则 FZ=4712.4 (N) 当 FZ=4712.4N时，切削深度 ap=2mm，走刀量 f=0.3mm . 以此参数作为下面计算的依据，从实用机床设计手册中可知，在一般圆切削时： xF=（ 0.1 0.6） zF （ 5 5） yF=（ 0.15 0.7） zF （ 5 6） xF=0.5 zF =0.5 4712.4=2356.2（ N ） yF=0.6 zF =0.6 4712.4=2827.44（ N ） （ 3）、滚珠丝杠的设计计算 滚珠丝杠在工作中承受轴向负载，使得滚珠和滚道型面间产生接触应力；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和滚道型面产生疲劳损伤，从而使得滚珠丝杠丧失工作性能，这是滚珠丝杠破坏的主要形式。在设计滚珠丝杠副的时候，须保证能够它在一定的轴向负载的作用下，在回转 106转后，滚道上虽然受滚珠压力，但不应有点蚀现象发生，此时所能承受的轴向负载成为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载 Q。 滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。 1） 、额定 动载荷与计算动载荷 C 从实用机床设计手册中查得： dHdh FffffnC （ 5 7） 式中 : fh - 寿命系数 fd - 载荷性质系数 fH - 动载荷硬度系数 nts fn - 转速系数 Fd - 最大工作负载 (N) 根据实用机床设计手册可知： 选工作寿命 : Lh =15000h, 则 fh = 3/1)500Lh(=3.107 （ 5 8） 选载荷性质系数 : fd =1.35; 选动载荷硬度系数 :fH =1.0; 转速系数 : fn = 3/1)3.33(n; （ 5 9） V =1000mm/min 根据上述选择的情况下 ,计算结果如表 5.1所示 ; 表 5.1 动载荷计算 丝杠导程 L0/mm 12 10 8 6 n =V/L0 (r/min) 8303 100 125 166.7 fn 0.737 0.693 0.694 0.584 c/n 26883 28590 30813 33926 综合导轨车床丝杠的轴向力 : W)(FfkFF ZX （ 5 10） 式中 :K=1.15; f =0.15 0.18,取 0.16.得 ; 1000)( 47 1 2 .40 .1 62 3 5 6 .215.1F =3623.6 (N) 寿命值 ; 1810 1 5 0 0 0206010 t60nL 66 iii （ 5 11） 最大负载 ; FffLQHw3 i （ 5 12） = 6.362312.1183 =11395.8 (N) 查参考文献实用机床设计手册可选用 NL4510 型号的滚珠丝杠副 ,名义直径为 45mm,丝杠导程为 10 mm, 螺旋角 34o ,滚珠例数为 3系列 ,其额定动载荷为 33300N,所以其强度够用。 2） 、支承方式 选用“单推 单推”的支承方式。 nts3） 、效率计算； )( tg tg（ 5 13） 式中： - 螺纹的螺旋升角 34o - 摩擦角 004.0003.0 tg ； 所以， = 4513 则： %97)451334(34 ootgtg （ 5 14） 经验表明：在数控化改造设计中，有普通丝杠换成滚珠丝杠，只要名义直径相同，支承方式相同或有改善 ，其丝杠的强度，刚度和稳定性计算可以不计算，因为采用类比法，改善后肯定合格。 （ 4） 、 齿轮设计 齿轮传动比 i: 517.401.0360105.1360 0 pLi （ 5 15） 式中； - 步进电动机的步矩角，选为 1.50， 计算出 i 5，因此可以选一级传动。 大小齿轮都采用 45 号钢调质，选小齿轮硬度为 260HB 290HB，大齿轮硬度为220HB 250HB，精度选用六级，模数 m=2mm , 齿宽 b=20mm, 螺旋角 = 020 ， 齿数 Z1=18，齿数 Z2=75，则： 3618211 mzd （ 5 16） 15075222 mzd 93)(21 21 dda（ 5 17） 还应该校核齿轮表面接 触疲劳强度，弯曲疲劳强度。经校核均合格，其校核过程略。 3、步进电动机的确定 （ 1）、步进电动机步矩角的选择； 005.110 17.401.0360360 L ip （ 5 18） （ 2）、等效转动惯量的计算 惯量对运动特性有很大影响，对加速能力，加速时驱动力矩及动态的快速反应有直接关系，因此核算转动惯量很有必要。 nts纵向伺服系统改进后 等效转动惯量 的简图如下 : 图 5-1 改造后的纵向伺服系统 等效转动惯量 简图 等效步进电动机轴的转动惯量计算，采用下式； 1121 JJJJiJ zzs （ 5 19） 式中： 1J -工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 sJ-滚珠丝杠转动惯量 1zJ -齿轮 1的转动惯量 2zJ -齿轮 2的转动惯量 1J = WP2180 （ 5 20） = 25.114.301.0180 100=0.146（ kgf 2cm ） 滚珠丝杠 转动惯量： sJ=7.8 410 4D 1L （ 5 21） =7.8 410 45.4 140=45.741（ kgf 2cm ） 齿轮的转动惯量： 1zJ =7.8 410 46.3 2=0.262（ kgf 2cm ） 2zJ =7.8 410 415 2=78.975（ kgf 2cm ） 电动机转动惯量很小可忽略，因此总的转动惯量： J = 1121 JJJJi zzs = 146.0262.0975.78741.4517.41 2 nts=7.58（ kgf 2cm ） =75.8 )( 2cmN （ 3） 、 所需转动力矩计算： 折算到步进电动机轴的力矩可分为三种情况进行计算。 1）、 快速空载启动时所需力矩： M=Mamax+Mf+M0 （ 5 22） 2）、 最大切削负载时所需力矩： M=Mat+Mf+M0+Mt （ 5 23） 3）、 快速进给所需力矩 M=Mf+M0 （ 5 24） 式中： Mamax-空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； Mf -折算到电机轴上的摩擦力矩； M0 -由丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的摩擦力矩； Mat-切削时折算到电机轴上的加速度力矩； Mt -切削时折算到电机轴上的切削负载力矩。 Ma= 4106.9 TJn（ N m） （ 5 25） 式中； T为时间常数 T=0.025s 当 n=nmax时， Mamax=Ma； nmax =1017.420000m ax L iV=834r/min （ 5 26） Mamax= 410025.06.9 83458.7 =2.764（ N m） =276.4（ N cm ） 当 n=nt时， Mat=Ma； 0Lfi主nnt （ 5 27） =10 17.43.0100 =12.51 （ r/min） Mat= 410025.06.9 58.7 =0.0395 （ N m） =3.95（ N cm ） iwLfMf 2 0 （ 5 28） 当 =0.8， f=0.16 时； nts 17.48.014.32 110 016.0 fM=7.64（ N CM） 当0=0.9时： 0M= 200 16 iLFx （ 5 29） = 29.0117.48.014.36 17.2 8 2 =0.854（ kgf cm ） =8.54（ N cm ） tM=iLFx2 0（ 5 30） =17.48.014.32 17.282 =13.5（ kgf cm ） =135（ N cm ） 从而求得，快速空载启动所需力矩 M=Mamax+Mf+M0 =276.4+7.64+8.54 =294.88 （ N CM ） 切削时所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt =3.95+7.64+8.54+135 =155 （ N cm ） 快速进给时所需力 矩 M=Mf+M0 =7.64+8.54 =16.18 （ N CM ） 由以上分析计算可知，所需最大力矩 Mmax发生在快速启动时，即： Mmax=294.88 （ N CM ） 4）、步进电动机的最大静转矩 Tjm 为。 8 6 6.04.08 6 6.0 m a x0 TTT jm（ 5 31） 4.0866.0 88.294 =851.3 （ N CM ） 5）、步进电动机的最高频率计算； nts 3.333 301.060200 060 m a xm a x pVf（ HZ） （ 5 32） 电动机采用三相六拍的工作方式，经综合考虑，选用 110BF003 型的直流步进电动机能满足要求。 横向进给系统的设计与计算 1、进给系统的设计内容 经济型数控车床改造的横向进给系统的设计比较简单，一般是步进电动机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电动机安 装在大拖板上，用发兰盘将步进电动机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。 横向进给系统设计的主要内容有：滚珠丝杠副的设计计算及选择、减速比的确定及减速箱的设计、步进电动机的选择等。 2、横向进给系统的设计计算 （ 1） 、 已知条件： 1）、纵向脉冲当量 y=0.0005mm/脉冲； 2）、纵向最高进给速度 Vfymax=1m/min； 3）、 C618车床工作台质量 w=40kg=4000N（根据图形尺寸粗略计算）。 4）、时间常数 T=25ms （ 2）、横向进给切削力 Fx的确定 根据 机床设计手册可知； 横向进给量为纵向的 1/2-1/3 ，取 1/2，则切削力约为纵向的 1/2。 zF =0.5 4712.4=2356.2（ N ） xF=0.5 zF =0.6 2356.2=1178.1（ N ） （ 3）、滚珠丝杠的设计计算 滚珠丝杠在工作中承受轴向负载，使得滚珠和滚道型面间产生接 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和滚道型面产生疲劳损伤，从而使得滚珠丝杠丧失工作性能，这是滚珠丝杠破坏的主要形式。在设计滚珠丝杠副的时候，须保证能够它在一定的轴向负载的作用下，在回转 106转后，滚道上虽然受滚珠压力，但不应有点蚀现象发生，此时所能承受的轴向负载成为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载 Q。 滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。 1）、 强度计算； W)(FfkFF ZX 式中 :K=1.4; f =0.2,得 ; nts 4 0 0 )( 2 3 5 6 .20 .21 1 7 8 .14.1F =2200.5 (N) 寿命值 ; 1 3 .510 15000156010 t60nL 66 iii 最大负载 ; FffLQHw3 i = 2200.512.113.53 =6287.5 (N) 查参考文献实用机床设计手册可选用 WD2004 型号的滚珠丝杠副 ,名义直径为 20mm,丝杠导程为 4 mm ,螺旋角 393o ,滚珠例数为 3 系列 ,其额定动载荷为 7600N,所以其强度够用。 2）、支承方式 选用“单推 单推”的支承方式。 3）、效率计算； )( tg tg式中： - 螺纹的螺旋升角 393o - 摩擦 角 = 10 则： 96.0)10393(393 ootgtg 经验表明：在数控化改造设计中，有普通丝杠换成滚珠丝杠，只要名义直径相同，支承方式相同或有改善，其丝杠的强度，刚度和稳定性计算可以不计算，因为采用类比法，改善后肯定合格。 （ 4）、齿轮设计 齿轮传动比 i: 53.3005.036045.1360 0 pLi 式中； - 步进电 动机的步矩角，选为 1.50， 计算出 i 5，因此可以选一级传动。 大小齿轮都采用 45 号钢调质，选小齿轮硬度为 260HB 290HB，大齿轮硬度为220HB 250HB，精度选用六级，模数
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