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1467-普通车床的机电一体化改造,1467,普通,车床,机电,一体化,改造
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中国矿业大学徐海学院本科生毕业设计姓 名： 徐继敏 学 号： 22062229 专 业： 机械工程及自动化 设计题目： 普通车床的机电一体化改造 专 题： 指导教师： 刘同冈 职 称： 副教授 2008 年 6 月 徐州中国矿业大学徐海学院毕业设计任务书专业年级 机自Z04-2 学号 22062229 学生姓名 徐继敏 任务下达日期： 年 月 日毕业设计日期： 年 月 日至 年 月 日毕业设计题目：普通车床的机电一体化改造毕业设计主要内容和要求：一.主要内容：对机床自动化改造技术进行了深入的研究和分析，并描述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JKW-15T型号的单片机为中心，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。二.设计要求：1. 学会各种文献检索工具，通过资料检索，熟悉普通车床的国内外发展现状。2.总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式，伺服系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择3.原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本，缩短改造周期；机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便；需经常调整的部位调整应方便。4. 按毕业设计大纲要求撰写设计说明书，并绘制完成相关设计图纸。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学徐海学院毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学徐海学院毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学徐海学院毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩评语成绩： 答辩小组组长签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计1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 CA6140 的基础上对其进行机电一体化改造。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，丝杠选用摩擦损失小，效率高，精度高，寿命长的滚珠丝杠,电机选用步进电机,电动机与滚珠丝杠用齿轮减速；刀架改造成能自动换刀的回转刀架，由脉冲发生器来加工所需要的螺纹；整个控制系统以 JKW-15T 型号的单片机为中心，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。关键词关键词：机床改造； 自动化机床； 控制系统中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计2ABSTRACTWith 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 CA6140 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. Screw on the choice of friction loss, high efficiency, high precision, long life of the ball screw, the electrical selected stepper motor, motor and the ball screw with gear deceleration.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 JKW-15T 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 中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计3 目目 录录第一章第一章 绪绪 论论11.1 机电一体化的发展 11.1.1 机电一体化技术 11.1.2 机电一体化发展概述 21.2 机电一体化改造的必要性 31.2.1 机床改造的意义 31.2.2 机床改造的市场 41.3 机电改造的内容 61.4 本文的选题及主要研究内容 81.4.1 本文的选题 81.4.2 主要研究内容 81.5 车床总体改造方案 91.5.1 设计基本思路 91.5.2 设计要求 10第二章车床改造的机械部分设计第二章车床改造的机械部分设计132.1 进给系统机械结构改造设计 132.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型 152.2.1 确定系统的脉冲当量 152.2.2 切削力计算 162.3 滚珠丝杠的设计计算与选用 172.3.1 滚珠丝杠简介 172.3.2 纵向滚珠丝杠的设计与计算 182.3.3 横向滚珠丝杠的设计与计算 262.3.4 滚珠丝杠的安装与使用 332.4 电机与滚珠丝杠连接用减速齿轮的设计与校核362.4.1 齿轮传动 362.4.2 纵向减速齿轮的设计与校核 372.4.3 横向减速齿轮的设计与校核412.5 进给系统的步进电动机的计算与选择 452.5.1 步进电动机45中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计42.5.2 纵向电机的计算与选择482.5.3 横向电机的计算与选择512.6 电动刀架选择与介绍55第第 3 3 章章 主轴脉冲发生器介绍与选型主轴脉冲发生器介绍与选型583.1 光电编码器原理583.2 主轴脉冲发生器的安装603.3 主轴脉冲发生器的选择60第四章第四章 控制装置的选用控制装置的选用634.1 JWK-15T 的简介634.2 功能分配654.3 程序设计67第五章第五章 结论结论78参考文献参考文献79英文原文英文原文81中文译文中文译文90致致 谢谢97中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计1第一章第一章 绪绪 论论1.1 机电一体化的发展机电一体化的发展.1 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化的实质是机械工程技术与微电子技术的结合。机电一体化技术是一门跨学科的综合性的复合技术，它随机械工程技术、微电子技术、计算机技术、激光技术、材料工程技术的发展而进步。机电一体化的一些共性关键技术有：信息处理技术、检测传感技术、自动控制技术、伺服传动技术、精密机械技术、系统总体技术等。把机电一体化技术应用于生产和生活所开发出来的新产品叫做机电一体化产品。数控机床、机器人、全自动智能洗衣机等是典型的机电一体化产品。在发达国家中，机床的数控化已达 25%以上，而我国还不到 1%。但是，随着国民经济的发展，各行业对数控机床的需求量将增加。世界机器人的拥有量在未来 10 年将以 25%30%的速度增长，将进入生产自动化、航天、深海以及军事、农业、办公、医院、家庭、社区等诸多领域。像全自动智能洗衣机这样生活领域中的许许多多机电一体化产品已经被人们所喜爱，还在被大量地开发出来。以信息为主要工作对象，既有控制功能的系统工程可称为机电一体化系统。比如，CIMS 是比较大的机电一体化系统工程。它将制造系统、设计系统、经营管理系统、信息数据系统通过计算机系统及通信网络联系起来。它是一个闭环反馈系统，输入的是关于产品的概念和需要，输出的是经检验合格可交付使用的产品，实现机械工厂综合自动化。中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计21.2 机电一体化发展概述机电一体化发展概述人类用机器体系代替手工劳动生产是在 1785 年蒸汽机在纺织工厂的使用而开始的。1873 年出现的第一台凸轮控制车床，开始了机械自动化的进程。19101920 年美国福特汽车公司通过设计制造大量专用机床，首先建立生产流水线，创造平均每分钟生产一辆汽车的记录，并使生产成本大大降低。20 世纪 40 年代后期，人们利用机器的、电气的和液压的自动化装置，设计制造出各种高效的自动化机床，并用自动输送带将各个单独的机床连接成自动生产线，从而使单一的品种大量生产为特征的刚性自动化生产达成成熟阶段。自动化生产对提高劳动生产率、保证产品质量，降低产品成本和推动社会进步起了不可估量的作用。20 世纪 40 年代世界上诞生了第一台数字计算机，使数控技术（Numerical Control-NC）的出现成为可能，1952 年美国麻省理工学院首先研制成专用电子计算机控制的三坐标立式数控铣床，解决了单件小屁生产自动化问题，开创了将计算机应用于机械装备自动控制的新时代。1958 年，第一台具有自动换刀装置和刀库的数控机床即加工中心（Machining Center-MC）在美国研制成功，进一步提高了数控机床的自动化程度。第一台工业机器人（Industrial Robot）于 1959 年出现于美国。最早的工业机器人是极坐标式的，它的出现对自动化制造技术具有很大的意义。工业机器人可自动进程装配、焊接、喷漆、热处理、清砂、浇注铸件以及在恶劣环境中工作等。1960 年，美国研制成功自适应控制机床（Adaptive Control Machine Tools） ，使机床具有一定的智能，可以有效提高加工质量。1962 年和 1963年又相继在美国出现了圆柱坐标式工业机器人和计算机辅助设计及绘图系统（Computer Aided Design-CAD） ，后者为自动化设计与制造之间的集成奠定了基础。进入 20 世纪 70 年代以来，以大规模集成电路和微型电子计算机为代表中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计3的微电子技术，迅速地被应用到机械工业中，促进了机械工业突飞猛进发展，出现了种类繁多的微电子技术控制的机械、仪器和军械装备，以及柔性制造线 FML、柔性制造系统 FMS 和自动化制造系统，这样就大幅度地提高了产品质量和劳动生产率，适应了市场对产品多样化的要求，丰富了热门类的物质文明。今天，机械装备的面貌已焕然一新，成为机与电高度融合的整体，不仅成为人类体力的延伸，而且成为人类智力的延伸。1.2 机电一体化改造的必要性机电一体化改造的必要性1.2.1 机床改造的意义机床改造的意义通常说“机床的真正价值在于使用” 。随着科学技术的发展，即使原来属于新颖，先进的机床也会逐渐变得陈旧，落后，满足不了产品种类的日益增加，质量不断提高的需要，因此， “技术老化”是客观规律。 据有关资料报导，在一些工业发达国家里，设备的平均役龄控制在 1020年之间，设备的“技术老化”期已短于 10 年，10 年役龄以内的设备能够达到设备总数的 50%左右。由此可见，设备速度相当快，一是用技术更为先进的新设备来代替技术性能“老化”了的旧设备；另一是进行有效的技术改进，使旧设备适应新的生产需要。例如，美国和西欧的一些工业先进国家，在钢铁企业中虽然早已实现了现代化，可是旧设备并没有全部毁弃，而是通过技术改造的方法，使一些旧的设备能够达到使用新技术，新工艺的需要，继续生产出具有竞争能力的优质产品。目前，我国的工厂企业，除了一些新建单位外，大多数都存在“技术老化”的问题设备役龄在 15 年以上的，所占比重相当大，面对这么多陈旧设备应该怎么办？这是一个急待解决的大问题。为实现工业现代化，我们同样要创造和引进新技术，新工艺，新设备，进行必要的设备更新。另一方面动员机械制造业的广大职工，坚持自力更中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计4生和勤俭本企业的方针，大搞技术革新，挖掘设备潜力，更具有现实意义。而改造机床是深受大家欢迎的一种革新形式，为满足生产的需要已经做出了重大的贡献。例如，某机械厂生产的只要产品是板框压滤机，生产批量很大，仅虑压板每年需要两万多块，总重量 2200 多吨。为了满足生产的需要，如果设计制造一条新的加工作业线，需要投资 20 余万元，便改装成了专用加工作业线。此作业线自 1960 年投产以来，到现在已使用了 20 多年了，一直负担者全部虑压板的生产任务，并且加工质量很稳定。又如，这个厂利用一台报废了的皮带传动龙门刨的床身，改装成了一台行程 8 米的导轨磨，从 1972 年改装成功到现在，共大修本厂机床 400 多台次，协助兄弟厂大修床身百余台，并且修磨精度高，光洁度好；然而改装这台机床只投资 5000 元，可是购买一台新的导轨磨床却要花费 10 几万元。改造机床的效益是多方面的，再从提高生产率看，假设改造机床 100 万台，每台生产率提高 20%，这就等于多生产 20 万台新机床；反之，如果不对旧机床实行技术改造，当前生产的新机床在技术水平上或数量上又不能及时地满足生产需要时，那就势必会影响国民经济的高速发展。通过上述事例不难看出，机床改造不但是解决设备“技术老化”的重要途径，能够满足生产发展的需要，而且可以获得十分客观的经济效果。1.2.2 机床改造的市场机床改造的市场（1）机床数控化改造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0.60.8 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中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计5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。据不完全统计，从 19791988 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。中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计61.3 机电改造的内容机电改造的内容一.控制部分目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机床，如果改用微机控制、实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工，不但提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种，一种是以微机为中心设计控制部件；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置，前者需要重新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内标准化的微机空控制系统，比较简单。这种标准的微机控制系统通常采用单板机、单片机、驱动电源、步进电机及专用控制程序组成的开环控制，如图 1-1 所示，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是用单片机单板机按照输入的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲，净功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具按规定的轮廓线轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让单板机没完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序控制进给速度。二机械部分机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度之外，还应有较好的动态响应特性，就是说相应要快、稳定性要好。一个典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感部件等部分组成。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中，常提出无间隙、低摩擦、地惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。为达到上述要求主要从一下几个方面采取措施。（1） 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副、中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计7滚动导向支承、动（静）压导向支承等。（2） 缩短传动链，提高传动与支承刚度，如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚珠导轨副的传动与支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少中间传动机构；丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或拉伸支承机构等。（3） 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。（4） 缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的措施。（5） 改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。如选用复合材料等来提高刚度和强度，减轻重量、缩小体积使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性化。刀架电机刀架控制电路继电器回转刀架（ ）车床纵横等轴限位主轴脉冲发生器光电隔离驱动器功率放大电路/口扩展存储器扩展微机急停、清 零 等功能按钮电机电机电机中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计8 图 1-1 开环控制系统框图1.4 本文的选题及主要研究内容本文的选题及主要研究内容.1 本文的选题本文的选题目前，我国的工厂企业，除了一些新建单位外，大多数都存在“技术老化”的问题设备役龄在 15 年以上的，所占比重相当大，面对这么多陈旧设备应该怎么办？这是一个急待解决的大问题。用普通卧式车床去加工有时一个人加工的东西都会误差很大，这样给所造设备带来很多的小问题。而如果要新买一台新的数控车床，一是总体成本太高，因为性价比不是太高，容易浪费资源，二是工厂没有工人精通数控车床，所以要培训工人一定又要花费很多时间影响生产进度。所以设想决定对其数控改造，改造的同时让操作人员一直在旁边学习，学习怎么改装，怎么安装，并讲解如何使用。把所要加工的零件程序输入到存储器中，用到时直接调用即可，这样一个人即可操作两台机床，而且效率提高了好大，精度也会提高很高，会为厂带来很大经济利益。.2 主要研究内容主要研究内容 1. CA6140 车床数控化改造总体机械部件设计。2.进给系统的设计和选用。包括了进给滚珠丝杠的设计与选用，消隙中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计9减速齿轮系的设计计算与校核，进给用步进电机的选择与校核。3主轴脉冲发生器的安装4刀架的选用5.数控系统的选择1.5 车床总体改造方案车床总体改造方案.1 设计基本思路设计基本思路普通车床（如 C616,C618,C620,CA6140,C630）等是金属切削加工最常用的一类机床。400普通车床的布局如图如图 1-21-2 所示所示。当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等。借助成形刀具，还能加工出各种成形回转面。普通车床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜板、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给和横向进给不能联动，切削次序也由人工控制。中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计10图图 1-2 400mm 普通车床的结构布局图普通车床的结构布局图 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改造成为微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于切削加工中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动进行调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。.2 设计要求设计要求 1.总体设计要求 总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式，伺服系统的类型，计中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计11算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择。 （1）普通车床数控化改造后应具有定位，纵向和横向的直线插补，圆弧插补功能；还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选择连续控制系统。 （2）车床数控改装设计后属于经济型数控机床，再保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。 （3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用 8 位微机。再 8 位微机中，MCS51 系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比。因此，可选择 MCS51 系列单片机扩展系统。 （4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 CPU 外，还包括扩展程序存储器、扩展数据存储器、I/O 接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器；包括光电隔离电路和步进电机驱动电路。此外，系统中还应包括螺纹加工用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。 （5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构。（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。进给伺服系统总体方案方框图如图如图 1-3 所示所示中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计12向向步进电机床鞍及拖板中拖板步进电机功率放大功率放大光电隔离光电隔离微机图图 1-3 车床进给伺服系统总体方案框图车床进给伺服系统总体方案框图2.设计参数设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。以 CA6140 改装为例，设计参数如下：最大加工直径 在床面上 400 在床鞍上 210 最大加工长度 1000快进速度 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min溜板及刀架重力 纵向 800N 横向 600N主电动机功率 7.5kW代码制 ISO脉冲分配方式 逐点比较法中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计13输入方式 增量值，绝对值通用控制坐标数 2最小指令值（脉冲当量） 纵向 0.01/脉冲 横向 0.005/脉冲机床定位精度 0.015刀具补偿量 099.99进给传动链间隙补偿量 纵向 0.15 横向 0.075自动升降速性能 有3.其他要求（1）原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本，缩短改造周期。（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便；需经常调整的部位调整应方便第二章车床改造的机械部分设计第二章车床改造的机械部分设计2.1 进给系统机械结构改造设计进给系统机械结构改造设计进给系统改装设计需要改动的主要部件有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板、刀架等，改装的方案不唯一的，一下以 C630 车床为例，介绍其中的一种方案。挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计14进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电动机与齿轮减速箱总成。丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠。滚珠丝杠的另一端支承座按章在车厂尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原处安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。溜板部分：将原横（纵）溜板中的丝杠、螺母拆除，改装横（纵）向进给滚珠丝杠螺母副，横（纵）向进给步进电机与齿轮减速器总成安装在横（纵）溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。改装后机床总体布局如图 2-1 所示中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计15螺钉件螺钉件键6-161件键 6-161件：11.5：1急停拆去防护罩向旋转徐继敏徐海学院机自 04-2学号：22062229图图 2-1 车床改装总体布置图车床改装总体布置图中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计162.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量，计算切削力，滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型，齿轮传动计算，步进电机的计算与选型等。计算简图如图如图 2-2 所示所示图图 2-2 进给系统计算简图进给系统计算简图(a)纵向进给纵向进给 (b)横向进给横向进给.1 确定系统的脉冲当量确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量，它是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。因此，脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为 0.01mm/脉冲0.005mm/脉冲。前述 CA6140 的技术参数中，要求纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为 0.005mm/脉冲。.2 切削力计算切削力计算中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计17在进给系统的传动计算、选用步进电机时，都要用到切削力（机床的主要负载） ，切削力的分析和计算可以参考以下简单而实用的经验公式。纵切外圆时，车床的主切削力 Fz 可以用下式计算：N5 . 167. 0DFZ式中：D 为在车床床面上加工的最大直径（mm） 。横切断面时，主切削力约为。ZF21走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力可按以下比例求出：XFYF4 . 025. 01：YXZFFF切削力的示意图见图图 2-3 横切端面纵车外圆图图 2-3 纵车外圆及横切端面切削力示意纵车外圆及横切端面切削力示意2.3 滚珠丝杠的设计计算与选用滚珠丝杠的设计计算与选用.1 滚珠丝杠滚珠丝杠简介简介滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计18滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮助。 2)高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 3)微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 4)无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 5)高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计19.2 纵向滚珠丝杠的设计与计算纵向滚珠丝杠的设计与计算以下公式参考自以下公式参考自实用机床设计手册实用机床设计手册已知条件：工作台重量=80KG=800N 工件及夹具最大重量=200N 工作台1W2W最大行程=1000mm 工作台导轨的摩擦系数为 u=0.05 快速进给速度LK=2.4m/min 定位精度为 15um/300mm,全行程 25um,重复定位精度为maxV10um 要求寿命为 10000 小时（单班制工作十年） 。丝杠螺母副材料硬度50-60HRC，工作温度小于 100，温升=4，可靠性要求 96%，采用双推t-双推（F-F）支承组合方式，运转一般。各种切削方式的纵向切削力 Fa,速度 V 和时间比例 q 及其他见下表表一表一 各种切削方式的纵向切削力各种切削方式的纵向切削力 Fa, ,速度速度 V 和时间比例和时间比例 q切削方式纵向切削力Pxi(N)垂向切削力Pzi(N)进给速度Vi(m/min)工作时间百分比%丝杠轴向载荷(N)丝杠转速r/min强力切削200012000.610220060一般切削10005000.830115080精切削500200150620100快速进给002.451000375中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计20FFZD4005-3-P3图图 2-4 进给用滚珠丝杠装配图进给用滚珠丝杠装配图（1）计算负荷与转速导轨摩擦力: =0.05(800+200)=50NfFW不计重负荷引起的导轨摩擦力，丝杠轴向负荷分别为：强力切削：2050；一般切削：1050；精切削：550；快速进给：50伺服电机最高工作转速：=1500r/minmaxn丝杠转速： =600r/min5 . 211500Sn丝杠导程 ：=4mm 表 3.7-21 得5mmPh60010004 . 2Ph丝杠转速: Viniph由上表查的=0.6m/min,=0.8m/min,=1m/min,=2.4m/min1v2v3v4v代入得120r/min，160r/min，200r/min，480r/min 1n 2n 3n 4n 等效等效转速：10010010010044332211tntntntnnm数据代入得184r/minmn 中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计21等效载荷34434333322321131100100100100mmmmmntnFntnFntnFntnFF带入数据得984.5NmF（2）初选滚珠丝杠副由公式实用机床设计手册 （3.724）知36)(6010wkahtmamKfffffFCnL查实用机床设计手册表（3.751）表（3.754）得tf1，hf1，af1，kf0.53，wf=1.3，hL10000h代入数据可求得11584.38N=11.6KNac初选丝杠为内循环，浮动反相器，双螺母垫片预紧。公称直径 d0=40mm,基本导程=5mm。滚珠直径 =3.5,5 列。型号为 FFZD40*5-5,查实用PhWD机床设计手册表 3.7-61 序号 8，额定动载荷=22KN 大于算出的ac（11.6KN） ，预紧力=0.25=925N，大于最大轴得载荷 2050N 的acPFmaxF1/3，这种丝杠是可用的。丝杠的螺纹部分长度；等于工作台最大行程（1000mm）加螺纹长ululLK度 L（110mm）加两端导程(20mm).eL=1000+110+2*20=1150mmul支承跨距 ，应大于，取=1300mm1Lul1L丝杠全长 L=1400mmF-F 支承方式的丝杠一般不会受压缩力作用，可不效和压杆的稳定性。丝杠弯曲振动临界转速中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计22查实用机床设计手册表 3.7-37 得 f=4.73式中=-1.22=0.03573m2d0dWD临界转速的支承距离=1200mm=1.2m22ueKClLLlLL计算得5501.3r/mincrncrnmaxn(3)预拉伸计算1） 温升引起是我伸长量,温升为 4，则螺纹部分伸长量为：t=a=50.6umthtul15. 1410116丝杠全长的伸长量为为ta=57.2umtt3 . 14101161l为此丝杠的目标行程可定为比公称行程小 0.02/1.30mm，丝杠在安装时，进行预拉伸，拉伸量为 0.05mm 拉伸方式可参看实用机床设计手册图03.7-262）预拉伸力tF根据材料力学欧拉公式=3924.58N2050/315. 1101 . 20234. 0410511250utlAEF（4）轴承的选择采用成对较 60接触角推力角接触球轴承为固定端，轴承型号7603020TVP，查表 3.7-39，其尺寸参数为：d=20mm,D=52mm,B=15mm,Z=13, =7.144mm,技术参数为：C=24500N,=45500N, =2800r/min,预加WD0Cmaxn中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计23负荷 =2900N。PF！）预负荷轴承的预负荷不应小于轴承最大载荷的 1/3，丝杠两端固定，故轴承的最大载荷等于预拉伸力加最大外载荷的一半。tF =4949.58N,故符合要求。20502158.392421maxFFFt2）疲劳寿命计算轴承要求的动负荷可按式 3.8-2 计算nnNFhCfKKKKfC1考虑到数控机床本身特点，上式中系数，均取 1fK1KNKnk进给力的方向是可变的，轴承负荷，可能是 P=,也可能是,mFmtFFP21两者机会均等，故取其平均值 P=tF当量转速184R/min,故=0.57mn nf寿命为 10000h ,则=2.71hf=18658.97N58.392457. 071. 2CC可以看出，7603020TVP 型轴承额定动载荷 24500 N 符合。(5)定位精度验算1）丝杠在拉压负荷下的最大强性变形根据公式 3.7-34maxsF=0.0036112661max101 . 20234. 044103 . 1104aasFFmAELFaFm=278N/aasFaSFFFK0033. 0maxm中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计24 强力切削=7.38um 一般切削=3.78ummaxsFmaxsF精切削=1.98um 快进切削=0.18ummaxsFmaxsF2)滚珠丝杠与螺母间的接触变形CCaCKFFFZD40*5-5 滚珠丝杠的=2150N/umCK强力切削=0.95um 一般切削=0.49umCC 精切削=0.26um 快进切削=0.02umCC3)轴承的接触变形B60接触角推力接触球轴承的轴向刚度按下式计算31052)sin(6 .23aWBaFDBK式中 Z-滚动体个数，这里 Z=13接触角，这里 =60-滚动体直径，这里=0.007114mWDWD-轴向预紧力，这里=2900N0aF0aF故=282/um31052)2900007114. 060sin(6 .23BKBa=BaBaaKF强力切削=7.27um 一般切削=3.72um BaBa精切削=1.95um 快速进给=0.18umBaBa4)螺母刚度H中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计25取 =1000N/um Hk HaHKF强力切削=2.05um 一般切削=1.05um HH精切削=0.55um 快速进给=0.05umHH5)丝杠系统总位移 由 =+ 则maxsFCBaH强力切削 =17.65um 一般切削 =9.04um 精切削 =4.7um 快速进给 =0.43um6）定位精度 F-F 型支承方式的在丝杠的中间，应验算此处的定位精度maxsF1.2.3 级精度的丝杠在任意 300mm，行程变动量为 6um,8um,12um.若取 2 级精度精切削时总误差为（4.74+8）=12.74um,满足切削 0.015/300mm 的要求快速进给时的总误差（0.43+8）=8.43um，满足切削 0.015/300mm 的要求（5）拉压振动和扭转振动的固有频率1）轴的拉压总刚度 F-F 型支承方式的拉压总刚度按下式计算eK )10001215012824127841(1141411HCBaSeKKKKKmN =307.6eKmN2)轴向拉压振动的固有频率 SW=1736r/s=104174r/miSW1000108 . 9106 .30733mKe中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计26n600r/min3) 扭转刚度扭转刚度按下式计算TK=9126.8N.m/r140073.3584. 784. 7442LdKT工作台与工件的等效转动惯量力.=0.00006.22)2005. 0(8 . 91000)2(hWpWJ324smsLdJ取丝杠中经计算转动惯量md=37.37mmmd23973.35则=.SJ3278004 . 11037.371244)扭转振动的固有频率 WT =TW)3/(JsJzJwKT)3/00209. 0000224. 000006. 0/(8 .9126=3050.69r/s=183041.6652r/min600r/min.3 横向滚珠丝杠的设计与计算横向滚珠丝杠的设计与计算以下公式参考自以下公式参考自实用机床设计手册实用机床设计手册已知条件：工作台重量=60KG=600N 工件及夹具最大重量=200N 工作台1W2W中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计27最大行程=1000mm 工作台导轨的摩擦系数为 u=0.05 快速进给速度LK=1.2m/min 定位精度为 15um/300mm,全行程 25um,重复定位精度maxV为 10um 要求寿命为 10000 小时（单班制工作十年） 。丝杠螺母副材料硬度 50-60HRC，工作温度小于 100，温升=4，可靠性要求 96%，采用t双推-双推（F-F）支承组合方式，运转一般。各种切削方式的纵向切削力 Fa,速度 V 和时间比例 q 及其他见下表表二表二 各种切削方式的纵向切削力各种切削方式的纵向切削力 Fa, ,速度速度 V 和时间比例和时间比例 q切削方式纵向切削力Pxi(N)垂向切削力Pzi(N)进给速度Vi(m/min)工作时间百分比%丝杠轴向载荷(N)丝杠转速r/min强力切削200012000.610220060一般切削10005000.830115080精切削500200150620100快速进给002.451000375中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计28FFZD4005-3-P3图图 2-5 进给用滚珠丝杠装配图进给用滚珠丝杠装配图（1）计算负荷与转速导轨摩擦力: =0.05(600+200)=40NfFW不计重负荷引起的导轨摩擦力，丝杠轴向负荷分别为：强力切削：2040；一般切削：1040；精切削：540；快速进给：40伺服电机最高工作转速：=1500r/minmaxn丝杠转速： =600r/min5 . 211500Sn丝杠导程 ：=2mm 表 3.7-21 得5mmPh60010002 . 1Ph丝杠转速: Viniph由上表查的=0.6m/min,=0.8m/min,=1m/min,=1.2m/min1v2v3v4v代入得120r/min，160r/min，200r/min，240r/min 1n 2n 3n 4n 等效转速：10010010010044332211tntntntnnm数据代入得172r/minmn 等效载荷中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计2934434333322321131100100100100mmmmmntnFntnFntnFntnFF带入数据得999.3NmF（2）初选滚珠丝杠副由公式实用机床设计手册 （3.724）知36)(6010wkahtmamKfffffFCnL查实用机床设计手册表（3.751）表（3.754）得tf1，hf1，af1，kf0.53，wf=1.3，hL10000h代入数据可求得11497.14N=11.4KNac初选丝杠为内循环，浮动反相器，双螺母垫片预紧。公称直径 d0=40mm,基本导程=5mm。滚珠直径 =3.5,5 列。型号为 FFZD40*5-5,查实用PhWD机床设计手册表 3.7-61 序号 8，额定动载荷=22KN 大于算出的ac（11.4KN） ，预紧力=0.25=915N，大于最大轴得载荷 2050N 的acPFmaxF1/3，这种丝杠是可用的。丝杠的螺纹部分长度；等于工作台最大行程（1000mm）加螺纹长ululLK度 L（110mm）加两端导程(20mm).eL=1000+110+2*20=1150mmul支承跨距 ，应大于，取=1300mm1Lul1L丝杠全长 L=1400mmF-F 支承方式的丝杠一般不会受压缩力作用，可不效和压杆的稳定性。丝杠弯曲振动临界转速查实用机床设计手册表 3.7-37 得 f=4.73中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计30式中=-1.22=0.03573m2d0dWD临界转速的支承距离=1200mm=1.2m22ueKClLLlLL计算得5501.3r/mincrncrnmaxn(3)预拉伸计算1） 温升引起是我伸长量,温升为 4，则螺纹部分伸长量为：t=a=50.6umthtul15. 1410116丝杠全长的伸长量为为ta=57.2umtt3 . 14101161l为此丝杠的目标行程可定为比公称行程小 0.02/1.30mm，丝杠在安装时，进行预拉伸，拉伸量为 0.05mm 拉伸方式可参看实用机床设计手册图03.7-262）预拉伸力tF根据材料力学欧拉公式=3924.58N2050/315. 1101 . 20234. 0410511250utlAEF（4）轴承的选择采用成对较 60接触角推力角接触球轴承为固定端，轴承型号7603020TVP，查表 3.7-39，其尺寸参数为：d=20mm,D=52mm,B=15mm,Z=13, =7.144mm,技术参数为：C=24500N,=45500N, =2800r/min,预加WD0Cmaxn负荷 =2900N。PF中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计31！）预负荷轴承的预负荷不应小于轴承最大载荷的 1/3，丝杠两端固定，故轴承的最大载荷等于预拉伸力加最大外载荷的一半。tF =4949.58N,故符合要求。20502158.392421maxFFFt2）疲劳寿命计算轴承要求的动负荷可按式 3.8-2 计算nnNFhCfKKKKfC1考虑到数控机床本身特点，上式中系数，均取 1fK1KNKnk进给力的方向是可变的，轴承负荷，可能是 P=,也可能是,mFmtFFP21两者机会均等，故取其平均值 P=tF当量转速172R/min,故=0.58mn nf寿命为 10000h ,则=2.71hf=18337.26N58.392458. 071. 2CC可以看出，7603020TVP 型轴承额定动载荷 24500 N 符合。(5)定位精度验算1）丝杠在拉压负荷下的最大强性变形根据公式 3.7-34maxsF=0.0036112661max101 . 20234. 044103 . 1104aasFFmAELFaFm=278N/aasFaSFFFK0033. 0maxm 强力切削=7.38um 一般切削=3.78ummaxsFmaxsF中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计32精切削=1.98um 快进切削=0.18ummaxsFmaxsF2)滚珠丝杠与螺母间的接触变形CCaCKFFFZD40*5-5 滚珠丝杠的=2150N/umCK强力切削=0.95um 一般切削=0.49umCC 精切削=0.26um 快进切削=0.02umCC3)轴承的接触变形B60接触角推力接触球轴承的轴向刚度按下式计算31052)sin(6 .23aWBaFDBK式中 Z-滚动体个数，这里 Z=13接触角，这里 =60-滚动体直径，这里=0.007114mWDWD-轴向预紧力，这里=2900N0aF0aF故=282/um31052)2900007114. 060sin(6 .23BKBa=BaBaaKF强力切削=7.27um 一般切削=3.72um BaBa精切削=1.95um 快速进给=0.18umBaBa4)螺母刚度H取 =1000N/um Hk中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计33 HaHKF强力切削=2.05um 一般切削=1.05um HH精切削=0.55um 快速进给=0.05umHH5)丝杠系统总位移 由 =+ 则maxsFCBaH强力切削 =17.65um 一般切削 =9.04um 精切削 =4.7um 快速进给 =0.43um6）定位精度 F-F 型支承方式的在丝杠的中间，应验算此处的定位精度maxsF1.2.3 级精度的丝杠在任意 300mm，行程变动量为 6um,8um,12um.若取 2 级精度精切削时总误差为（4.74+8）=12.74um,满足切削 0.015/300mm 的要求快速进给时的总误差（0.43+8）=8.43um，满足切削 0.015/300mm 的要求（5）拉压振动和扭转振动的固有频率1）轴的拉压总刚度 F-F 型支承方式的拉压总刚度按下式计算eK )10001215012824127841(1141411HCBaSeKKKKKmN =307.6eKmN2)轴向拉压振动的固有频率 SW=1736r/s=104174r/minSW1000108 . 9106 .30733mKe600r/min中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计343) 扭转刚度扭转刚度按下式计算TK=9126.8N.m/r140073.3584. 784. 7442LdKT工作台与工件的等效转动惯量力.=0.00006.22)2005. 0(8 . 91000)2(hWpWJ324smsLdJ取丝杠中经计算转动惯量md=37.37mmmd23973.35则=.SJ3278004 . 11037.371244)扭转振动的固有频率 WT =TW)3/(JsJzJwKT)3/00209. 0000224. 000006. 0/(8 .9126=3050.69r/s=183041.6652r/min600r/min.4 滚珠丝杠的安装与使用滚珠丝杠的安装与使用(1)润滑为使滚珠丝杠副能充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑方式主要有以下两种润滑脂中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计35润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的 1/3，我厂滚珠丝杠副出厂时在螺母内部已加注 GB7324-94 2#锂基润滑脂； 润滑油润滑油的给油量标准如表 16 所示，但是随行程、润滑油的种类、使用条件（热抑制量）等的不同而有所变化。请注意使用。表 16 润滑油的给油量标准（间隔 3 分钟）表三 润滑油的给油量标准轴 颈 (mm)给油量 (cc)480.0310140.0515180.0720250.1028320.1536400.2545500.3055630.40701000.501001600.60(2)防尘滚珠丝杠副与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨耗，成为破损的原因。因此，考虑有污物异物（切削碎削）进入时，必须采用防尘装置（折皱保护罩、丝杠护套等） ，将丝杠轴完全保护起来。 另外，如没有异物，但有浮尘时可在滚珠螺母两端增加防尘圈，请用户根据需要按编号规则选定合适规格型号。中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计36(3)使用滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项：滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时要在行程两端配置限位，以避免螺母越程脱离丝杠轴而使滚珠脱落。滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动时，如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。防逆传动方法可用蜗轮蜗杆传动、液压式电器制动器及超越离合器等。 (4)安装 1)滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项：滚珠丝杠副仅用于承受轴向负荷。径向力、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面接触应力等不良负荷，从而可能造成丝杠的永久性损坏。因此，滚珠丝杠副安装到机床时应注意： 丝杠的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须三点成一线。 安装螺母时，尽量靠近支撑轴承； 同样安装支撑轴承时，尽量靠近螺母安装部位。滚珠丝杠副安装到机床时，请不要把螺母从丝杠轴上卸下来。如必须卸下来时，要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意下列几点： 1.辅助套外径应小于丝杠底径 0.10.2mm. 2.辅助套在使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩。 3.装卸时，不可使过大力以免螺母损坏。 4.装入安装孔时要避免撞击和偏心。中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计372.42.4 电机与滚珠丝杠连接用减速齿轮的设计与校核电机与滚珠丝杠连接用减速齿轮的设计与校核.1 齿轮传动齿轮传动齿轮传动在伺服进给系统中的作用是改变运动方向，降速、增大扭矩，适应不同丝杠螺距和不同脉冲当量的配比等。当在伺服电机和丝杠之间安装齿轮（直齿、斜齿、锥齿等）时，必然产生齿侧间隙，造成反向运动的死区，必须设法消除。表四表四 消除齿隙的方法消除齿隙的方法.2 纵向减速齿轮的设计与校核纵向减速齿轮的设计与校核（以下公式参考自机械设计）（以下公式参考自机械设计）中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计38已知：传递功率为 1.8KW，电动机驱动，小齿轮转速1500r/min，1n传动比 i2.5，载荷平稳。使用寿命 10 年（10000h） 。（1） 选择齿轮材料，确定许用应力由表 6.2 选 小齿轮 40Cr 调质 =260HBS1HBS 大齿轮 45 正火 =210HBS2HBS许用接触应力由式 6-6，H接触疲劳极限查表 6-4 =700,=550limH1limH2mmN2limH2mmN接触强度寿命系数，应力循环系数 N 由式 6-7NZ=160hNnjL41015006081098812106 . 35 . 2109iNN查图 6-5 得 , 11NZ7 . 12NZ接触强度最小安全系数1limHS，2700117001mmNH2lim93517 . 15502mmNH=700H2mmN许用弯曲应力由式 6-12，FNNFFFXYSlimlim弯曲疲劳极限查图 6-7，双向传动乘以 0.7，则limFNHHHZSlimlim中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计39 2lim3781mmNF2lim2942mmNF弯曲强度寿命系数 查图 6-8 NY121NNYY弯曲强度尺寸系数 查图 6-9 （设模数 m 小于 3）=1XYXY弯曲强度最小安全系数 则4 . 1limFS 2lim2704 . 1113781mmNF2lim2104 . 1112942mmNF（2）齿面接触疲劳强度设计计算确定齿轮传动精度等级 ，估取圆周速度3111)022. 0013. 0(nPn，参考表 6.7，表 6.8 取公差组 8 级。smt1 . 4小齿轮分度圆直径 d，由式 6-5 得uuKTZZZddHHE) 1(2)(121齿宽系数 查表 6.9 因单级齿轮传动为对称布置，=1dd小齿轮齿数在推荐值 2040 中选 =251Z1Z大轮齿数 圆整取 =625 .6212 iZZ2Z齿数比48. 2256212ZZ小轮转矩mmNnPT.4775015005 . 71055. 91055. 96161载荷系数KKKKKVA使用系数 查表 6.3 =1AKAK动载荷系数 由推荐值 1.051.4 取=1.2VKVK齿间动载荷分配系数 由推荐值 1.01.2 取=1.1KK中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计40齿向载荷分配系数 由推荐值 1.01.2 取=1.1KK载荷系数=KKKKKVA45. 11 . 11 . 12 . 11材料弹性系数 查表 6.4 EZ28 .189mmNZE节点区域系数 查图 6-3（）=2.5HZ0,0210XXHZ重合度系数，由推荐值 0.850.92 =0.87ZZ故 5 .3848. 2148. 214775045. 12)70087. 05 . 28 .189(321d齿轮模数， 按表 6.6 圆整 m=254. 1255 .3811Zdm 小轮分度圆直径5025211 mZd圆周速度smdn/925. 3600001500506000011标准中心距mmZZma872)6225(22)(21齿宽mmdbd505011大齿宽mmbb502小轮齿宽（510）=50+5=55mm21bb(3)齿根弯曲疲劳强度校核计算由式 6-10211FSaFamFYYYbdKT齿形系数查表 6.5 小轮 FaY62. 21FaY 大轮 272. 22FaY应力修正系数查表 6.5 小轮 SaY59. 11SaY 大轮 734. 12SaY中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计41 重合度 )tan(tan)tan(tan212211ZZ )20tan)2262220cos622s(tan(arcco62)20tan)2225220cos252s(tan(arcco25210000=1.7重合度系数69. 07 . 175. 025. 075. 025. 0Y故 26 .792505069. 059. 162. 24775045. 121mmNF23 .752505069. 0734. 1272. 24775045. 122mmNF（4）齿轮其他主要尺寸计算大轮分度圆直径 mmmZd12462222根圆直径 mmhddff45225. 1250211 mmhddff119225. 12124212顶圆直径 mmhddaa542250211 mmhddaa12822124222.3 横向减速齿轮的设计与校核横向减速齿轮的设计与校核（以下公式参考自机械设计）（以下公式参考自机械设计）已知：传递功率为 1.8KW，电动机驱动，小齿轮转速1500r/min，1n传动比 i2.5，载荷平稳。使用寿命 10 年（10000h） 。（2） 选择齿轮材料，确定许用应力由表 6.2 选 小齿轮 40Cr 调质 =260HBS1HBS中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计42 大齿轮 45 正火 =210HBS2HBS许用接触应力由式 6-6，H接触疲劳极限查表 6-4 =700,=550limH1limH2mmN2limH2mmN接触强度寿命系数，应力循环系数 N 由式 6-7NZ=160hNnjL41015006081098812106 . 35 . 2109iNN查图 6-5 得 , 11NZ7 . 12NZ接触强度最小安全系数1limHS，2700117001mmNH2lim93517 . 15502mmNH=700H2mmN许用弯曲应力由式 6-12，FNNFFFXYSlimlim弯曲疲劳极限查图 6-7，双向传动乘以 0.7，则limF 2lim3781mmNF2lim2942mmNF弯曲强度寿命系数 查图 6-8 NY121NNYY弯曲强度尺寸系数 查图 6-9 （设模数 m 小于 3）=1XYXYNHHHZSlimlim中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计43弯曲强度最小安全系数 则4 . 1limFS 2lim2704 . 1113781mmNF2lim2104 . 1112942mmNF（2）齿面接触疲劳强度设计计算确定齿轮传动精度等级 ，估取圆周速度3111)022. 0013. 0(nPn，参考表 6.7，表 6.8 取公差组 8 级。smt1 . 4小齿轮分度圆直径 d，由式 6-5 得uuKTZZZddHHE) 1(2)(121齿宽系数 查表 6.9 因单级齿轮传动为对称布置，=1dd小齿轮齿数在推荐值 2040 中选 =251Z1Z大轮齿数 圆整取 =625 .6212 iZZ2Z齿数比48. 2256212ZZ小轮转矩mmNnPT.4775015005 . 71055. 91055. 96161载荷系数KKKKKVA使用系数 查表 6.3 =1AKAK动载荷系数 由推荐值 1.051.4 取=1.2VKVK齿间动载荷分配系数 由推荐值 1.01.2 取=1.1KK齿向载荷分配系数 由推荐值 1.01.2 取=1.1KK载荷系数=KKKKKVA45. 11 . 11 . 12 . 11材料弹性系数 查表 6.4 EZ28 .189mmNZE中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计44节点区域系数 查图 6-3（）=2.5HZ0,0210XXHZ重合度系数，由推荐值 0.850.92 =0.87ZZ故 5 .3848. 2148. 214775045. 12)70087. 05 . 28 .189(321d齿轮模数， 按表 6.6 圆整 m=254. 1255 .3811Zdm 小轮分度圆直径5025211 mZd圆周速度smdn/925. 3600001500506000011标准中心距mmZZma872)6225(22)(21齿宽mmdbd505011大齿宽mmbb502小轮齿宽（510）=50+5=55mm21bb(3)齿根弯曲疲劳强度校核计算由式 6-10211FSaFamFYYYbdKT齿形系数查表 6.5 小轮 FaY62. 21FaY 大轮 272. 22FaY应力修正系数查表 6.5 小轮 SaY59. 11SaY 大轮 734. 12SaY 重合度 )tan(tan)tan(tan212211ZZ 中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计45)20tan)2262220cos622s(tan(arcco62)20tan)2225220cos252s(tan(arcco25210000=1.7重合度系数69. 07 . 175. 025. 075. 025. 0Y故 26 .792505069. 059. 162. 24775045. 121mmNF23 .752505069. 0734. 1272. 24775045. 122mmNF（4）齿轮其他主要尺寸计算大轮分度圆直径 mmmZd12462222根圆直径 mmhddff45225. 1250211 mmhddff119225. 12124212顶圆直径 mmhddaa542250211 mmhddaa128221242222.5 进给系统的步进电动机的计算与选择进给系统的步进电动机的计算与选择.1 步进电动机步进电动机步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计46脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR） 、永磁式步进电机（PM） 、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15 度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 步进电机的一些基本参数： 电机固有步距角： 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如 86BYG250A 型电机给出的值为 0.9/1.8（表示半步工作时为 0.9、整步工作时为 1.8） ，这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 步进电机的相数： 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、三相的为 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计47改变步距角。保持转矩（HOLDING TORQUE）： 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 2N.m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2N.m的步进电机。DETENT TORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有 DETENT TORQUE。步进电机的一些特点：1一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。2步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常。3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计48够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速） 。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。.2 纵向电机的计算与选择纵向电机的计算与选择以下公式参考自以下公式参考自机电一体化系统设计机电一体化系统设计该车床的纵向进给丝杠改用滚珠丝杠，其基本导程mml50，工作台质量NW8001，工件最大质量NW2002。脉冲当量stepmm01. 0；这里取工进给速度为 V=0.5m/min，快进给min4 . 2m，步进电机的步距角预选为step08 . 1，传动比5 . 2i解：（1）纵向进给运动的负载分析步进电机的负载有外力负载（切削力） ，摩擦负载和惯性负载，所选步进电机必须克服这些负载，才能作正常的进给驱动1）切削负载若采用如图 2-6 所示的刀具角度，切削用量范围：min5 . 0m，mmaP4，f=0.3mm/r,则其主切削力（可根据切削原理近似公式计算）NFZ5360（垂中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计49向图图 2-6 刀具角度刀具角度向） ，取NFFZX134025. 0（纵） ，NFFZY21444 . 0（横）2）摩擦阻力当溜板箱导轨为贴塑导轨，则摩擦系数05. 0，因主切削力压向导轨，则摩擦阻力NF31805. 0)5360200800(摩 其他摩擦未算3）等效转动惯量计算根据理论力学公式计算进给系统中回转零部件的转动惯量,由前面减速齿轮的设计与校核可知：02120)(550,(2;62,25, 5 . 2，齿宽模数）cmmmbmZZimmdmmdmmdmmdaaff128,54,119,452121则 齿轮的转动惯量分别为（齿轮为 45 号钢，并将齿轮近似看做圆柱体）2424444.10316. 3.316. 31054 . 58 . 7108 . 711mKgcmKgbdJaZ2424444.1069.104.689.1041058 .128 . 7108 . 722mKgcmKgbdJaZ滚珠丝杠选用型号为 FFZD4005-5-P5/14001150 的丝杠其长度为 1400mm，直径为 40mm，则丝杠的转动惯量近似为中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计50sJ2244.71014048 . 7mKgcmKg 设电动机转子的转动惯量为mJ4.64210.kg m（当有效到电动机轴上的负载转动惯量大于电动机转子转动惯量一个数量级时，mJ值可以忽略，但当等效到电动机轴上的负载惯量较小时，就不能轻易地忽略它。现预选电动机为 110BF003，其电动机转子地抓动惯量为 4.64210.kg m） 。根据书上机电一体化系统设计公式 6-4 可知 21212)()(41kjjnjkiimiknnJnVMJ式中：iv采用最不利于机床启动时的速度，这里选用快速进给速度v溜2.4m/min；knmn（电动机）v溜/（3600）500r/min；im100kg；1znmn；2zn1zn/i200 r/min。则 22122)5004 . 2(10041iJJJJJszzmm 0.584104.64103.3164102445 . 21096.271069.10424.1072.29mKg4)丝杠摩擦阻力力矩（smT）的计算由于丝杠承受轴向载荷，又由于采取了一定的预紧措施，故滚珠丝杠会产生摩擦阻力矩，但由于滚珠丝杠的传动效率很高，其摩擦阻力矩相对与其它负载转矩小得多，故一般不用考虑。5)等效负载转矩mepT由书上机电一体化系统设计公式 6-8 得中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计51 mT1()02mvFFn溜纵摩5004 . 2318134021）（ 1.27N.m启动惯性阻转矩（T惯）的计算这里以最不利于启动得快进速度进行计算，启动加速度（或制动减速）时间为t0.3s（一般在 0.11s 之间选择） ，由于电动机转速mw133.52605002602snm，取加（减）速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为 244.1743 . 033.52stwmm则 mNJTmm.518. 044.1741072.294惯7）步进电动机输出轴上总负载转矩T的计算 TmTT惯（1.27+0.518）N.m=1.788 N.m（2）步进电动机的匹配选择上述计算均未考虑机械系统的传动效率，当选择机械传动总效率0.7 时 mNTT.55. 27 . 0/788. 1在车削时，由于材料的不均匀等因素的影想，会引起负载转矩突然增大，为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大引起步进电动机丢步而引起加工误差，可以适当考虑安全系数，安全系数一般可在 1.22 之间选取。如果安全系数 K1.5，则步进电动机可按以下总负载转矩选择 mNTKT.825. 355. 25 . 1 若选用上述预选的电动机 110BF003，其最大静转矩maxjT7.84 中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计52N.m。在三相六拍驱动时，其步矩角为 0.75（0）/step，为保证带负载能正常加速起动和定位停止，电动机的启动转矩qT必须满足 qTT由书上机电一体化系统设计表 3-6 可知，maxqjTT0.87，则qT0.87 7.84=6.79 N.m故选用合格。.3 横向电机的计算与选择横向电机的计算与选择以下公式参考自以下公式参考自机电一体化系统设计机电一体化系统设计该车床的纵向进给丝杠改用滚珠丝杠，其基本导程mml50，工作台质量NW6001，工件最大质量NW2002。脉冲当量stepmm005. 0；这里取工进给速度为 V=0.25m/min，快进给min2 . 1m，步进电机的步距角预选为step08 . 1，传动比5 . 2i解：（1）纵向进给运动的负载分析步进电机的负载有外力负载（切削力） ，摩擦负载和惯性负载，所选步进电机必须克服这些负载，才能作正常的进给驱动1）切削负载若采用如图 2-7 所示的刀具角度，切削用量范围：min5 . 0m，mmaP4，f=0.3mm/r,则其主切削力（可根据切削原理近似公式计算）NFZ2680（垂向） ，取NFFZX67025. 0（纵） ，NFFZY10724 . 0（横）中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计53向 图图 2-7 刀具角度刀具角度2）摩擦阻力当溜板箱导轨为贴塑导轨，则摩擦系数05. 0，因主切削力压向导轨，则摩擦阻力NF17405. 0)2680200600(摩 其他摩擦未算3）等效转动惯量计算根据理论力学公式计算进给系统中回转零部件的转动惯量,由前面减速齿轮的设计与校核可知：02120,550, 2;62,25, 5 . 2cmmmbmZZimmdmmdmmdmmdaaff128,54,119,452121则 齿轮的转动惯量分别为（齿轮为 45 号钢，并将齿轮近似看做圆柱体）2424444.10316. 3.316. 31054 . 58 . 7108 . 711mKgcmKgbdJaZ2424444.1069.104.689.1041058 .128 . 7108 . 722mKgcmKgbdJaZ滚珠丝杠选用型号为 FFZD4005-5-P5/14001150 的丝杠其长度为 1400mm，直径为 40mm，则丝杠的转动惯量近似为sJ2244.71014048 . 7mKgcmKg 中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计54 设电动机转子的转动惯量为mJ4.64210.kg m（当有效到电动机轴上的负载转动惯量大于电动机转子转动惯量一个数量级时，mJ值可以忽略，但当等效到电动机轴上的负载惯量较小时，就不能轻易地忽略它。现预选电动机为 110BF003，其电动机转子地抓动惯量为） 。24.106 . 4mkg根据书上机电一体化系统设计公式 6-4 可知 21212)()(41kjjnjkiimiknnJnVMJ式中：iv采用最不利于机床启动时的速度，这里选用快速进给速度v溜1.2m/min；knmn（电动机）v溜/（3600）250r/min；im80kg；1znmn；2zn1zn/i200 r/min。则 22122)5002 . 1(8041iJJJJJszzmm 0.0374104.64103.3164102445 . 21096.271069.10424.1018.29mKg4)丝杠摩擦阻力力矩（smT）的计算由于丝杠承受轴向载荷，又由于采取了一定的预紧措施，故滚珠丝杠会产生摩擦阻力矩，但由于滚珠丝杠的传动效率很高，其摩擦阻力矩相对与其它负载转矩小得多，故一般不用考虑。5)等效负载转矩mepT由书上机电一体化系统设计公式 6-8 得中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计55 mT1()02mvFFn溜纵摩5002 . 117467021）（ 0.32N.m启动惯性阻转矩（T惯）的计算这里以最不利于启动得快进速度进行计算，启动加速度（或制动减速）时间为t0.3s（一般在 0.11s 之间选择） ，由于电动机转速mw133.52605002602snm，取加（减）速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为 244.1743 . 033.52stwmm则 mNJTmm.509. 044.1741018.294惯7）步进电动机输出轴上总负载转矩T的计算 TmTT惯（0.32+0.59）N.m=0.829N.m（2）步进电动机的匹配选择上述计算均未考虑机械系统的传动效率，当选择机械传动总效率0.7 时 mNTT.18. 17 . 0/829. 0在车削时，由于材料的不均匀等因素的影想，会引起负载转矩突然增大，为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大引起步进电动机丢步而引起加工误差，可以适当考虑安全系数，安全系数一般可在 1.22 之间选取。如果安全系数 K1.5，则步进电动机可按以下总负载转矩选择 mNTKT.77. 118. 15 . 1 若选用上述预选的电动机 110BF003，其最大静转矩maxjT7.84 中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计56N.m。在三相六拍驱动时，其步矩角为 0.75（0）/step，为保证带负载能正常加速起动和定位停止，电动机的启动转矩qT必须满足 qTT由书上机电一体化系统设计表 3-6 可知，maxqjTT0.87，则qT0.87 7.84=6.79 N.m故选用合格。2.62.6 电动刀架选择与介绍电动刀架选择与介绍选用常州宏达机床数控设备厂生产的四工位电动刀架，型号 LD4-CK6132LD4 系列电动刀架工作原理及特点：LD4 型系列立式电动刀架采用涡轮蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的优点。发信转位采用霍尔元件，使用寿命长。图图 2-82-8 霍尔元件霍尔元件中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计57表五表五 外形尺寸及安装尺寸外形尺寸及安装尺寸型号型号 尺寸尺寸H1H2H3A E E1D D1B F C L1L2L3L4LD4-CK0620122 48 22 80 15 8 52 64 94 8 78 9 248138 8026.560LD4-CK0625128 51 231202015 80 90 126 8 110 9 32019611016.590LD4-CK6125155 58 341361414108108148111261131018813616.590LD4-CK6132174 70 3816112121261261711214613360226152 2190LD4-CK6136181 77 3816112121261261711214613360226152 2890LD4-CK6140190 81 4019220201521521921216813375242162 2390LD4-CK61502301214019120201521521921216813375242162 63LD4-CK61632701455120035251501302001217713500295200 40 120LD4-CK6502801455124015152102102401521013540335240 33 120表六表六 技术参数技术参数型型 号号电动功率电机转速夹紧力重复定位精度寿 命(次)换刀时间(S)中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计58Wr/minTmm90180270LD4-CK06203014000.20.005300000 2.533.5LD4-CK06256014000.60.005300000 2.533.5LD4-CK61256014000.60.005300000 2.533.5LD4-CK61329014001.20.005300000 2.533.5LD4-CK61369014001.20.005300000 2.533.5LD4-CK61409014001.20.005300000 2.533.5LD4-CK61509014001.20.00530000033.54LD4-CK616318014001.80.00530000033.54LD4-CK65018014001.80.00530000033.54中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计59第第 3 章章 主轴脉冲发生器介绍与选型主轴脉冲发生器介绍与选型主轴脉冲发生器也叫光电编码器。其作用是当数控机床加工螺纹时，用主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件，它应与车床主轴同步转动，并发出主轴转角位置变化信号，输送给计算机。计算机按所需加工的螺距进行处理，控制机床纵向或横向步进电动机运转，实现加工螺纹的目的。其加工螺距为6、5、3.5、2.5、2、1.75、1.5、1.25、1、0.75、0.7、0.6、0.5、0.4、0.35、0.3、0.25 共 18 种。3.13.1 光电编码器原理光电编码器原理 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差 90 旱牧铰仿龀逍藕拧中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计60根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。(1)增量式编码器 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A、B 和 Z相；A、B 两组脉冲相位差 90 海佣煞奖愕嘏卸铣鲂较颍鳽相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。(2)绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N 位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有 N 条码道。目前国内已有 16 位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计61电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有 10 位、14 位等多种。(3)混合式绝对值编码器混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。3.23.2 主轴脉冲发生器的安装主轴脉冲发生器的安装主轴脉冲发生器的安装，通常采用二种方式：一是同轴安装，二是采用异轴安装。同轴安装的结构简单，联结方便。但缺点时安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件。而异轴安装则没有这个缺陷。目前经济型数控系统改造卧式车床，多采用同轴安装。主轴脉冲发生器从传动联结方面分为刚性联结和柔性联结。所谓刚性联结就是指常用的轴套方式联结，这种联结对联结件的制造精度和暗转精度要求较高。应为同轴度的误差，会引起主轴脉冲发生器的偏转，造成信号不准甚至损坏内部光栅盘。另一种联结方式为柔性联结，即车床主轴与主轴脉冲发生器之间用弹性元件联结，常用的元件为波纹管橡胶管。联结方式如附图所示。这是较为适用的联结方式。需引起注意的是，主轴脉冲发生器属精密光学元件，安装时应格外小心，以免损坏光栅盘。另外，在使用中还应注意最高许用转速，使用时车床主轴不能超过此转速。最好能做到使用时可将其装上，不使用时将其脱开，以延长其实用寿命。中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计623.3 主轴脉冲发生器的选择选用 ZSP708 系列，采用刚性联结。下图为主轴脉冲发生器的型号代号说明：其特点为：经济型数控用。安装方便，互换性好，抗干扰强。采用模块化设计，耐高温、可靠性高。外径 70，止口 52，轴径 8，D 形切口。 航空插头输出图图 3-13-1 主轴脉冲发生器的型号代号说明主轴脉冲发生器的型号代号说明表七表七 主轴脉冲发生器接线表、技术参数主轴脉冲发生器接线表、技术参数接线表接线表 （航空插头：XS16-7）中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计63插 座 号1234567导线颜色红黑绿棕白铜网-信 号+5VSIG Z SIG A0VSIG B 屏蔽线-注： 电缆侧出：信号按表中所示的导线颜色连接，输出电缆标准长度为1m，最长可达 100m。 电缆屏蔽线应接编码器插座的 6 脚，6 脚已接编码器外壳，另一端屏蔽线应悬空。 根据用户需要，可选配其他航空插头，如 CX22-10 或 YZM-10 等。 实际接线以编码器标牌为准。技术参数技术参数电源电压 VCCDC+5V5%或+4.513.2V、+10.826.4V最大机械转数 5000rpm输出电压 高电平85%Vcc，低电平0.3V抗 震 动 50m/s2，10200HZ，XYZ 方向各 2h消耗电流 180mA抗 冲 击 980m/s2，6ms，XYZ方向各 2 次响应频率 0100KHZ （或按用户要求）防 护 防水、防油、防尘 IP54中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计64输出波形 方波工作寿命 MTBF50000h （+25，2000rpm）载 空比 0.5 T 0.1 T工作温度 -25100启动力矩 610-3Nm（+25）储存温度 -40110转动惯量 7.510-6kgm2工作湿度 3085% （无结霜）轴最大负载 径向： 35N，轴向： 25N重 量 约 0.32Kg安装尺寸安装尺寸（单位：mm）第四章第四章 控制装置的选用控制装置的选用针对车床的特点可选用 JBM-30K、BK-600、JWK-15T 等型号数控系统，并根据需要控制坐标数及联动坐标数的多少和分辨率的高低选择数控系统的功能。系统应具有编辑、空运行、回零、手动、自动、MDI 方式及 G 功能、M 功能、S 功能、刀具半径补偿、平面设定、尖角过渡等功能。JWK-15T 型单片微是一种开环的数控系统，可用于卧式车床的改造。适合中小批量、多品种、多规格的异形零件加工。其效果好，精度高，能保证零件的加工质量。4.14.1 JWK-15TJWK-15T 的简介的简介JWK-15T 数控系统的核心是 MCS-51 系列的 8031 单片微机。8031 单中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计65片机与 8051 单片机的区别仅在于其内部没有 ROM。JWK-15T 用三路驱动电路，分别控制 X 向、Y 向和 Z 向步进电动机，来进行机床位移的运动，并能实现任意二坐标联动和三坐标联动。8031 单片机是 MCS-51 系列单片微机的典型代表产品，特别是其硬件功能远远高于 TP-801 单板机，尤其适合实时控制、智能仪器仪表、自动机床，是控制类型应用领域中最理想的八位微型计算机，在全世界得到了广泛的应用。一、工作原理用数控机床加工工件时，首先应编制零件加工程序。这是数控机床的工作指令。将加工程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启动、停止、仅给运动的方向、速度和位移量，以及刀具选择交换，工件装夹和冷却润滑的开关等动作，使刀具与被加工零件以及其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、运动轨迹和运动参数进行工作，从而达到加工出符合要求零件的目的。二、组成根据数控机床的工作原理，数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统、机床本体和测量装置等五部分组成。其组成框图如图如图 4-1 所示所示。 机床测量装置伺服系统数控装置控制介质图图 4-1 数控机床的组成数控机床的组成 1. 控制介质中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计66它是用于记载各种加工信息的载体，以控制机床的运动，实现零件的加工。在普通机床上加工零件时，都由工人按图样和工艺要求手工操作完成。在数控机床上加工时，则把加工零件所需的全部动作、相关数据及刀具相对零件的位置等参数，用数控装置做能接受的数字和文字代码来表示，并将这些代码存储在控制介质上。控制介质可以是穿孔织带、穿孔卡、磁带、软磁盘或其它可以存储信息的载体。对于经济型数控系统，一般直接用存储器作为载体，用操作面板上的按键和键盘将加工程序直接键入，并且可以在数码显示器或 CRT 显示器上显示出来。2. 数控装置数控装置是数控机床的核心。它由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。它的功能是接受输入装置输入的加工信息，经过数控系统的系统软件对代码进行处理后，输出相应的指令脉冲，驱动伺服系统，来控制机床的各个运动部件按规定的要求实现各个动作。3. 伺服系统伺服系统由伺服驱动电机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。其作用是把来自数控装置的各种指令，转换成机床移动部件的运动速度、运动方向和位移量。机床中每个运动的执行部件，都有各自的伺服系统。 数控机床的伺服系统中，常用的伺服驱动系统有开环系统、闭环系统和半闭环系统之分。其驱动元件主要有功率步进电动机，电液脉冲马达和大惯量直流电动机等。4. 机床本体与普通机床相比，数控机床应具有更好的刚性和抗振性，尤其是相对表面的摩擦系数要小、传动件之间的间隙要小外，还要求具有自动变速、自中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计67动换刀和自动诊断故障的功能，以便与实现自动加工的需要。5. 测量装置测量装置的作用是将机床的实际位置、速度等参数，转换成电信号，反馈回数控装置，以校核执行部件实际运动的速度、方向和位移，并使之与加工部件相一致。 开环数控系统无测量装置4.24.2 功能分配功能分配为了各种操作，可设置相应的开关，JWK-15T 型机床微机控制装置的面板上，共有 8 个控制键，8 个状态键，一个急停开关，一个电源开关，另一组 40 键的 ISO 编码键盘，和一组 4 排或 3 排显示器，如图如图 4-2 所示所示中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计68编辑空运行自动回零手动手动手动急停功放电源启动暂停连续单段显示图图 4-2 JWK 系统面板图系统面板图中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计694.34.3 程序设计程序设计此零件为轴类零件。零件图见图图 4-3 所示所示1. 数控机床参数及约定脉冲当量：X 向（横向）为 0.005mm Y 向（纵向）为 0.01mm坐标原点：O加工起点：A安装方式：零件装夹于床头主轴与尾座顶尖间。采用双顶尖鸡心加紧方式定位使用刀具：强力车刀/切刀090工序加工说明：此工序为精车加工。零件外部形状尺寸（除螺纹外） ，全部成形。零件各部尺寸预留精车余量为 0.81.2mm。2. 编程参数计算零件右端坐标计算结果见图图 4-4 所示所示 零件左端坐标计算结果及图图 4-5 所示所示3. 工艺走刀路线走刀路线见图图 4-4、图图 4-5中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计71 图图 4-3 零件图（立轴）零件图（立轴）中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计72 图图 4-4 坐标及走刀路线（右）坐标及走刀路线（右）中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计73 ?50?72 ?138 ?146R0.5图图 4-5 坐标及走刀路线（左坐标及走刀路线（左）4. 编程JWK-15T 数控装置零件加工程序如下(零号程序略)：零件加工程零件加工程(右端右端)N0010 G92 X300 Z214.5 “A”N0020 G01 X33 F800 “近”1N0030 G01 X23 F80 “”1N0040 G04 F2.0 “延时”N0050 G01 X27 F100“”2中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计74N0060 G04 F2.0N0070 G01 U6 W-3 F150“”3N0080 G04 F2.0N0090 G01 W-13.5 F140“”4N0100 G04 F2.0N0110 G01 X34.01 F100“”5N0120 G04 F2.0N0130 G01 W-34 F140“”6N0140 G04 F2.0N0150 G01 X35.015 F100“”7N0160 G04 F2.0N0170 G01 W-19 F140“”8N0180 G04 F2.0N0190 G01 X37.02 F100“”9N0200 G04 F2.0N0210 G01 W-54 F140“”10N0220 G04 F2.0N0230 G01 X39 F100 “”11N0240 G04 F2.0N0250 G01 W-17 F140 “”12N0260 G04 F2.0N0270 G01 X40.015 F100 “”13N0280 G04 F2.0中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计75N0290 G01 W-34 F140 “”14N0300 G04 F2.0N0310 G01 X44.98 F100 “”15N0320 G04 F20N0330 G01 W-20.5 F140 “”16N0340 G04 F2.0N0350 G02 U19 W-9.5 I19 K0 F140“”17N0360 G04 F2.0N0370 G01 X138 F100 “”18N0380 G04 F2.0N0390 G01 U2 W-1 F140 “”19N0400 G04 F2.0N0410 G01 W-9 F140 “”20N0420 G04 F2.0N0430. G01 X150 F260 “”21N0440 G04 F2.0N0450 G01 W44 F260 “过”22N0460 G04 F2.0N0470 G01 W-4 F80 “”22N0480 T22 “换 2#刀”N0490 G04 F2.0中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计76N0500 G01 X48 F260 “近”23N0510 G01 X46 F100 “近”23N0520 G01 X45 F100 “近”23N0530 G01 X44 F80 “近”23N0540 G04 F2.0 N0550 G01 X43 F80 “近”23N0560 G04 F2.0N0570 G01 X42 F80 “近”23N0580 G04 F2.0N0590 G01 X41 F80 “近”23N0600 G04 F2.0N0610 G01 X40 F80 “近”23N0620 G04 F2.0N0630 G01 X39 F80 “”23N0640 G04 F2.0N0650 G01 X150 F300 “”22N0660 G04 F2.0N0670 G01 W+38 F260 “过”24N680 G04 F2.0N690 G01 W-4 F80 “”24N0700 G04 F2.0N0710 G01 X41 F260 “近”25中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计77N0720 G01 X40 F80 “近”25N0730 G04 F2.0N0740 G01 X39 F80 “近”25N0750 G04 F2.0N0760 G01 X38 F80 “25N0770 G04 F2.0N0780 G01 X150 F300 “”24N0790 G04 F2.0N0800 G01 W75 F260 “过”26N0810 G04 F2.0N0820 G01 W-4 F80 “”26N0830 G04 F2.0N0840 G01 X38 F260 “近”27N0850 G01 X37 F80 “近”27N0860 G04 F2.0N0870 G01 X36 F80 “近”27N0880 G04 F2.0N0890 G01 X35 F80 “近”27N0900 G04 F2.0N0910 G01 X34 F80 “”27N0920 G04 F2.0N0930 G01 X150 F300 “”26中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计78N0940 G04 F2.0N0950 G01 W23 F260 “过”28N0960 G04 F2.0N0970 G01 W-4 F80 “”28N0980 G04 F2.0N0990 G01 X36 F260 “近”29N1000 G01 X35 F80 “近”29N1010 G04 F2.0N1020 G01 X34 F80 “近”29N1030 G04 F2.0N1040 G01 X33 F80 “”29N1050 G04 F2.0N1060 G01 X150 F300 “”28N1070 G04 F2.0N1080 G01 W38 F260 “过”30N1090 G04 F2.0N1100 G01 W-4 F80 “”30N1110 G04 F2.0N1120 G01 X35 F260 “近”31N1130 G01 X34 F80 “近”31N1140 G04 F2.0中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计79N1150 G01 X33 F80 “近”31N1160 G04 F2.0N1170 G01 X32 F80 “近”N1180 G04 F2.0N1190 G01 X50 F180 “”32N1200 G01 U260 W220 F600 “过 A”N1210 G04 f2.0N1220 T10 “换 1#刀”N1230 G01 X300 F80 “A”N1240 g01 Z214.5 F80 M02 “A”零件加工程序零件加工程序(左端左端)N0010 G92 X300 Z214.5 “A”N0020 G01 X60 F260 “近”1N0030 G01 X50 F100 “”1N0040 G04 F2.0 “延时”N0050 G01 X54 F80 “”2N0060 G01 U6 W-3 F140 “”3N0070 G01 X70 F100 “”4N0080 G04 F2.0中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计80N0090 G01 U2 W-1 F100 “”5N0100 G04 F2.0N0110 G01 W-16.5 F140 “”6N0120 G04 F2.0N0130 G02 U5 W-2.5 I5 K0 F140 “”7N0140 G04 F2.0N0150 G01 X138 F100 “”8N0160 G04 F2.0N0170 G01 U8 W-4 F140 “”9N0180 G04 F2.0N0190 G01 X166 F260 “”10N0200 G04 F2.0N0210 G01 U154 W32 F400 “过 A” N0220 G04 F2.0N0230 G01 X300 F80 “A”N0240 G01 U214.5 F80 M02 “A”中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计81第五章第五章 结结 论论 本篇论文是关于普通机床的机电一体化改造，通过这次学习在机床改造中获的了意想不到的快乐与成就感，为以后的工作积累下丰富的经验。整个改造过程主要对车床纵、横向进给系统进行改造，经过设计与计算， 丝杠选用摩擦损失小，效率高，精度高，寿命长的滚珠丝杠，型号为FFZD4005，电机选用步进电机，型号为 110BF003，电动机与滚珠丝杠用齿轮减速；刀架改造成能自动换刀的回转刀架，由脉冲发生器来加工所需要的螺纹；整个控制系统以 JKW-15T 型号的单片机为中心，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。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于切削加工中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动进行调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。但是本篇论文还有不尽如意的地方：1）所研究的东西只是停留在理论方面，很多东西现在还不是很明白2）在零件的设计计算过程中，还有些是不明白之处，设计的依据和其中的很多术语3）对 CA6140 车床的改造还不是很彻底，只是对其中的一些主要部件中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计82进行了改造，如时间在宽裕一些，我想我可以做的更好。但本次毕业论文，在指导教师刘同冈老师的精心指导下，掌握了设备自动化改造的主要技术关键环节，对数控设备、数控技术有了更进一步的了解和掌握，了解了数控设备、数控技术的发展趋势，指明了以后的发展方向，必将为以后的学习和工作起到很大的作用。参考文献参考文献1李洪.实用机床设计手册.北京：机械工业出版社，19972杜君文 邓广敏.数控技术.天津：天津大学出版社，20023成大先.机械设计图册.北京：化学工业出版社，200327程志红.机械设计.南京：东南大学出版社，20065李福生.实用数控机床技术手册.北京：北京出版社，19936上海纺织工学院等.机床设计图册.上海：上海科学技术出版社，19797余英良.机床数控改造设计与实例.北京：机械工业出版社，19978陈绍廉.数控机床改造技术.北京：航空工业出版社，19889 于淘. C6132 普通机床的数控改造. 北华大学学报10谷风金. C6140 车床的数控改造与设计. 煤矿机械11赵美林. CA6140 车床的改造. 机床与液压12陈继振.CA6140 车床数控改造的安装及调试. 设备与维护13白文庆.普通车床的数控改造. 机械产品与科技14张丽芳.普通车床的数控改造设计. 船电技术15贾传圣.普通机床的数控改造与应用. 改装与维修16李朝阳.单片机原理及接口技术.北京：北京航天航空大学，200517林平勇 高嵩.电工电子技术.北京：高等教育出版社，200018张建明.机电一体化系统设计.北京：高等教育出版社，2001中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计8319张树森.机械制造工程学.沈阳：东北大学出版社，200520顾维邦.金属切削机床概论.北京：机械工业出版社，200521周开勤 唐蓉城等.机械设计师实用手册.天津：天津科学技术出版，199222唐仲文.实用数控机床技术手册.北京：北京出版社，199323大连组合机床研究所.组合机床设计.北京：机械工业出版社，197524牛大年.机械原理.北京：高等教育出版社，199425吴道全.金属切削原理及刀具.重庆：重庆大学出版社，200326陈榕林 张磊.巧改机床. 北京：中国农业机械出版社，198227机械设计手册编委会.机械设计手册.机电一体化系统设计.北京：机械工业出版社，200728林述温 范杨波.机电装备设计.北京：机械工业出版社，200229张树林.机械制造工程学.沈阳：东北大学出版社，200130哈尔滨工业大学理论力学教研室编.理论力学.北京：高等教育出版社 200131L.Meivovitch.Elements of Vibration analysis.MCGRAWHILL，199532INTERNATIONAL STANDARD ISO02861 ISO02862 198833Yoram Koren.Computer Control of Manufacturing System.McGram Hill Book Co，198334Robert L.Norton . Design of Machinery. China Machine Press，2003中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计84英文原文英文原文LATHES & MILLINGA shop that is equipped with a milling machine and an engine lathe can machine almost any type of product of suitable size.The basic machines that are designed primarily to do turning，facing and boring are called lathes. Very little turning is done on other types of machine tools，and none can do it with equal facility. Because lathe can do boring，facing，drilling，and reaming in addition to turning，their versatility permits several operations to be performed with a single setup of the workpiece. These accounts for the fact that lathes of various types are more widely used in manufacturing than any other machine tool. Lathes in various forms have existed for more than two thousand years. Modern lathes date from about 1797，when Henry Maudsley developed one with a leadscrew. It provided controlled，mechanical feed of the tool. This ingenious Englishman also developed a change gear system that could connect the motions of the spindle and leadscrew and thus enable threads to be cut. Lathe Construction. The essential components of a lathe are depicted in the block diagram of picture. These are the bed，headstock assembly，tailstock assembly，carriage assembly，quick-change gearbox，and the leadscrew and 中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计85feed rod. The bed is the back bone of a lathe. It usually is made of well-normalized or aged gray or nodular cast iron and provides a heavy，rigid frame on which all the other basic components are mounted. Two sets of parallel，longitudinal ways，inner and outer，are contained on the bed，usually on the upper side. Some makers use an inverted V-shape for all four ways，whereas others utilize one inverted V and one flat way in one or both sets. Because several other components are mounted and/or move on the ways they must be made with precision to assure accuracy of alignment. Similarly，proper precaution should betaken in operating a lathe to assure that the ways are not damaged. Any inaccuracy in them usually means that the accuracy of the entire lathe is destroyed. The ways on most modern lathes are surface hardened to offer greater resistance to wear and abrasion. The headstock is mounted in a fixed position on the inner ways at one end of the lathe bed. It provides a powered means of rotating the work at various speeds. It consists，essentially，of a hollow spindle，mounted in accurate bearings，and a set of transmission gearssimilar to a truck transmissionthrough which the spindle can be rotated at a number of speeds. Most lathes provide from eight to eighteen speeds，usually in a geometric ratio，and on modern lathes all the speeds can be obtained merely by moving from two to four levers. An increasing trend is to provide a continuously variable speed range through electrical or mechanical drives. Because the accuracy of a lathe is greatly dependent on the spindle，it is of heavy construction and mounted in heavy bearings，usually preloaded tapered roller or ball types. A long- itudinal hole extends through the spindle so that long bar stock can be fed through it. The size of this hole is an important size 中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计86dimension of a lathe because it determines the maximum size of bar stock that can be machined when the material must be fed through the spindle. The inner end of the spindle protrudes from the gear box and contains a means for mounting various types of chucks，face plates，and dog plates on it. Whereas small lathes often employ a threaded section to which the chucks are screwed，most large lathes utilize either cam-lock or key-drive taper noses. These provide a large-diameter taper that assures the accurate alignment of the chuck，and a mechanism that permits the chuck or face plate to be locked or unlocked in position without the necessity of having to rotate these heavy attachments.Power is supplied to the spindle by means of an electric motor through a V-belt or silent-chain drive. Most modern lathes have motors of from 5 to15 horsepower to provide adequate power for carbide and ceramic tools at their high cutting speeds.The tailstock assembly consists，essentially，of three parts. A lower casting fits on the inner ways of the bed and can slide longitudinally thereon，with a means for clamping the entire assembly in any desired location. An upper casting fits on the lower one and can be moved transversely upon it on some type of keyed ways. This transverse motion permits aligning the tailstock and headstock spindles and provides a method of turning tapers. The third major component of the assembly is the tailstock quill. This is a hollow steel cylinder，usually about2 to3 inches in diameter，that can be moved several inches longitudinally in and out of the upper casting by means of a hand wheel and screw. The open end of the quill hole terminates in a Morse taper in which a lathe center，or various tools such as drills，can be held. A graduated 中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计87scale，several inches in length，usually is engraved on the outside of the quill to aid in controlling its motion in and out of the upper casting. A locking device permits clamping the quill in any desired position. The carriage assembly provides the means for mounting and moving cutting tools. The carriage is a relatively flat H-shaped casting that rests and moves on the outer set of ways on the bed. The transverse bar of the carriage contains ways on which the cross slide is mounted and can be moved by means of a feed screw that is controlled by a small hand wheel and a graduated dial. Through the cross slide a means is provided for moving the lathe tool in the direction normal to the axis of rotation of the work.On most lathes the tool post actually is mounted on a compound rest. This consists of abase，which is mounted on the cross slide so that it can be pivoted about a vertical axis，and an upper casting. The upper casting is mounted on ways on this base so that it can be moved back and forth and controlled by means of a short lead screw operated by a hand wheel and a calibrated dial. Manual and powered motion for the carriage，and powered motion for the cross slide，is provided by mechanisms within the apron，attached to the front of the carriage. Manual movement of the carriage along the bed is effected by turning a hand wheel on the front of the apron，which is geared to a pinion on the back side. This pinion engages a rack that is attached beneath the upper front edge of the bed in an inverted position.To impart powered movement to the carriage and cross slide，a rotating feed rod is provided. The feed rod，which contains a keyway through out most of its length，passes through the two reversing bevel pinions and is keyed to them . Either pinion cam be brought into mesh with a mating bevel gear by means of the reversing lever on the front of the apron and thus provide “forward” or 中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计88“reverse” power to the carriage. Suitable clutches connect either the rack pinion or the cross-slide screw to provide longitudinal motion of the carriage or transverse motion of cross slide.For cutting threads，a second means of longitudinal drive is provided by a lead screw. Whereas motion of the carriage when driven by the feed-rod mechanism takes place through a friction clutch in which slippage is possible，motion through the lead screw is by a direct，mechanical connection between the apron and the lead screw. This is achieved by a split nut. By means of a clamping lever on the front of the apron，the split nut can be closed around the lead screw. With the split nut closed，the carriage is moved along the lead screw by direct drive without possibility of slippage.Modern lathes have a quick-change gear box. The input end of this gearbox is driven from the lathe spindle by means of suitable gearing. The out put end of the gear box is connected to the feed rod and lead screw. Thus，through this gear train，leading from the spindle to the quick-change gearbox，thence to the lead screw and feed rod，and then to the carriage，the cutting tool can be made to move a specific distance，either longitudinally or transversely，for each revolution of the spindle. A typical lathe provides，through the feed rod，forty-eight feeds ranging from 0.002 inch to0.118 inch per revolution of the spindle，and，through the lead screw，leads for cutting forty-eight different threads from 1.5 to 92perinch.On some older and some cheaper lathes，one or two gears in the gear train between the spindle and the change gear box must be changed in order to obtain a full range of threads and feeds.Milling is a basic machining process in which the surface is generated by the progressive formation and removal of chips of material from the workpiece as it is fed to a rotating cutter in a direction perpendicular to the axis of the cutter. .In 中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计89some cases the workpiece is stationary and the cutter is fed to the work. In most instances a multiple-tooth cutter is used so that the metal removal rate is high，and frequently the desired surface is obtained in a single pass of the work.The tool used in milling is known as a milling cutter. It usually consists of a cylindrical body which rotates on its axis and contains equally spaced peripheral teeth that intermittently engage and cut the workpiece. In some cases the teeth extend part way across one or both ends of the cylinder. Because the milling principle provides rapid metal removal and can produce good surface finish，it is particularly well-suited for mass-production work，and excellent milling machines have been developed for this purpose. However，very accurate and versatile milling machines of a general-purpose nature also have been developed that are widely used in job-shop and tool and die work. A shop that is equipped with a milling machine and an engine lathe can machine almost any type of product of suitable size.Types of Milling Operations. Milling operations can be classified into two broad categories，each of which has several variations：1.In peripheral milling a surface is generated by teeth located in the periphery of the cutter body；the surface is parallel with the axis of rotation of the cutter. Both flat and formed surfaces can be produced by this method. The cross section of the resulting surface corresponds to the axial contour of the cutter. This procedure often is called slab milling.1. In face milling the generated flat surface is at right angles to the cutter axis and is the combined result of the actions of the portions of the teeth located on both the periphery and the with the face portions providing a finishing action.The basic concepts of peripheral and face milling are illustrated in Fig. 中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计90Peripheral milling operations usually are performed on machines having horizontal spindles，whereas face milling is done on both horizontal-and vertical-spindle machines.Surface Generation in Milling. Surfaces can be generated in milling by two distinctly different methods depicted in Fig. Note that in up milling the cutter rotates against the direction of feed the workpiece，whereas in down milling the rotation is in the same direction as the feed .As shown in Fig., the method of chip formation is quite different in the two cases. In up milling the c hip is very thin at the beginning, where the tooth first contacts the work，and increases in thickness, be-coming a maximum where the tooth leaves the work. The cutter tends to push the work along and lift it upward from the table. This action tends to eliminate any effect of looseness in the feed screw and nut of the milling machine table and results in a smooth cut. However, the action also tends to loosen the work from the clamping device so that greater clamping forcers must be employed. In addition, the smoothness of the generated surface depends greatly on the sharpness of the cutting edges.In down milling，maximum chip thickness occurs close to the point at which the tooth contacts the work. Because the relative motion tends to pull the workpiece into the cutter，all possibility of looseness in the table feed screw must be eliminated if down milling is to be used. It should never be attempted on machines that are not designed for this type of milling. In as mush as the material yields in approximately a tangential direction at the end of the tooth engagement，there is much less tendency for the machined surface to show tooth marks than when up milling is used. Another consider able advantage of down milling is that the cutting force tends to hold the work against the machine table，permitting lower clamping force to be employed. This is particularly 中国矿业大学徐海学院 2008 界本科毕业设计91advantageous when milling thin workpiece or when taking heavy cuts.Sometimes a disadvantage of down milling is that the cutter teeth strike against the surface of the work at the beginning of each chip. When the workpiece has a hard surface，such as castings do，this may cause the teeth to dull rapidly.Milling Cutters. Milling cutters can be classified several ways. One method is to group them into two broad classes，based on tooth relief，as follows：1. Profile-cutters have relief provided on each tooth by grinding a small land back of the cutting edge. The cutting edge may be straight or curved.2.In form or cam-relieved cutters the cross section of each tooth is an eccentric curve behind the cutting edge，thus providing relief. All sections of the eccentric relief，parallel with the cutting edge，must have the same contour as the cutting edge. Cutters of this type are sharpened by grinding only the face of the teeth，with the contour of the cutting edge thus remaining unchanged. Another useful method of classification is according to the method of mounting the cutter. Arbor cutters are those that have a center hole so they can be mounted on an arbor. Shank cutters have either tapered or straight integral shank. Those with tapered shanks can be mounted directly in the milling machine spindle，whereas straight-shank cutters are held in a chuck. Facing cutters usually are bolted to the end of a stub arbor.Types of Milling Cutters. Plain milling cutters are cylindrical or disk-shaped，having straight or helical teeth on the periphery. They are used for milling flat surfaces. This type of operation is called plain or slab milling. Each tooth in a
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