普通车床数控化改造-进给系统及刀架设计毕业设计说明书

PAGE毕业设计设计题目：普通车床数控化改造——进给系统及刀架设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

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普通车床数控化改造－进给系统及刀架设计摘要普通车床的数控化改造一般是指对现有普通车床的某些部位做一定的改造，配上经济型数控装置或标准型数控系统，从而使原车床具有数控加工能力。数控化改造后的车床自动化程度高，专业性强，加工精度及生产率高；适应多品种、中小批量生产；数控改造费用低，经济性好；能发挥机床原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值；数控改造周期短，可满足生产急需。本文以CA6140车床为例，对普通车床进行了数控化改造设计，主要研究内容如下：分析普通车床的结构组成及其功能，研究确定普通车床数控化改造方案，并进行经济性论证。根据普通车床的加工能力，对车床的主轴箱进行部分改造并简要说明。根据机械、动力学及电气设计原理以及机床进给系统的要求，对切削力进行计算，选择合适的滚珠丝杠并进行装配设计。设计选择滚珠丝杠支承方式与相应的轴承、步进电机。选择设计自动回转刀架并进行相应的校核验算。根据所改造的性能和精度指标来选配合适的数控装置系统。给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。关键词：普通车床数控化改造进给系统刀架

NumericalControlInnovationofcommonlathes—theDesignofFeedingSystem&ToolPostAbstractThenumericalcontrolinnovationofcommonlathesgenerallymeanstotransformtheexistingcommonlathes,justmaketransformationofcertainparts,installingeconomicnumericalcontroldeviceorstandardcomputernumericalcontrolsystem,thusmakingthecommonlathewithNCmachiningability.Afternumericalcontrolinnovationthelathespossesshighdegreeofautomation,goodprofessionalability,highmachiningaccuracyandproductivity;adapttothemulti-species,middleandsmallbatchproduction;lowNCreconstructionexpensesandgoodeconomicalefficiency,whichcanplaytheoriginalfunctionandreformmachinenewfunction,andimprovetheusevalueofmachine.NCinnovationcanmeetproductionneedswithshorttransformationperiod.TaketheCA6140latheasanexample,inthispapertoprocessnumericalcontrolinnovationdesignofcommonlathes.Themainresearchcontentsareasfollows:Analysisthestructure,componentandfunctionofthecommonlathes,andidentifythenumericalcontrolinnovationschemeofcommonlathesanddoeconomydemonstration.Accordingtothecommonlatheprocessingability,designpartialreconstructionofthelathespindlebox,andgivebriefillustration.Accordingtothemechanicalandelectricaldesignprinciple,andthemachinefeedingsystemrequirement,makingcalculationofcuttingforce,andchooseappropriateballscrewandassemblydesign.Designchoiceballscrewsupportingmodeandtochoosecorrespondingbearings,steppingmotor.Makingselectionofdesignautomaticrotarytoolpostandcorrespondingcheckingcalculate.Accordingtothepropertiesandtransformationofprecisionindextoselectsuitablenumericalcontroldevicesystem.Giveinstallationanddebuggingmethodofcommonlathesnumericalcontrolinnovation.Keywords:commonlatheNCreformfeedingsystemtoolpost

目录TOC\o"1-3"\h\z1前言 11.1课题产生 11.2普通车床数控化改造研究现状 21.3普通车床数控化改造经济分析 22普通车床数控化改造方案 52.1改造方案设计 52.2改造内容及要求 52.3改造方案确定 62.4数控化改造步骤 73传动及进给系统改造设计 83.1设计参数 83.2传动部分改造设计 83.3进给系统改造设计 83.3.1纵向进给系统改造设计 93.3.2横向进给系统改造设计 224自动回转刀架改造设计 304.1数控改造自动回转刀架选型 304.2数控车床自动回转刀架工作原理 324.3自动回转刀架计算校验 324.3.1蜗杆副的设计计算 324.3.2蜗杆其他相关参数 354.3.3蜗杆传动热平衡计算 355数控系统改造设计 375.1车床数控系统概述 375.2数控装置的软硬件结构 375.3数控系统与可编程控制器及接口 395.4数控系统总体改造设计 406改造后数控车床安装与调试 426.1改造后数控车床安装 426.2改造后数控车床调试 426.3经济型数控车床精度检验 437结论 44谢辞 45参考文献 46外文资料翻译 47唐山学院毕业设计PAGE57PAGE11前言数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展，就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品，而产品质量的优劣，制造周期的快慢，生产成本的高低，又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前，采用先进的数控车床，已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控车床是提高车床数控化率的主要途径，但是成本太高，很多中小企业在短时间内无法筹集大量资金；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通车床，由于普通车床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。为了获得数控车床,企业可以应用成熟的数控技术理论，以低廉的成本对普通旧车床进行数控化改造，可以恢复甚至提高原车床的精度，大大提高了车床加工的自动化水平，适应工业高速跨越式发展的要求。我们以CA6140车床为例，对普通车床进行数控化改造设计分析。对普通车床进行数控改造是提高我国车床产量数控化率的重要途径之一。通过普通车床的数控化改造,投入较少的资金但能达到经济型数控车床的使用效果,其社会意义和经济效益是不可估量的。1.1课题产生普通车床的数控化改造使原车床具有数控加工能力，改造后的车床自动化程度高，专业性强，加工精度及生产率高；在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可调整性，适应多品种、中小批量生产；数控改造费用低，经济性好；能发挥机床原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值；数控改造周期短，可满足生产急需。具体来讲，其改造优点如下：1）从提高资本效率出发，改造闲置的普通车床，能发挥旧机床的原有功能和改造后的新功能，提高普通车床的使用价值。2）数控改造费用低，减少了投资额，经济性好。3）适合于多品种、中小批量产品的的自动化加工，对产品的适应性强。对不同零件的加工，可以通过变换不同的加工程序和更换不同的加工刀具来实现。4）提高产品质量，降低废品率。尤其是加工的产品尺寸一致性好，合格率高。5）机械性能稳定可靠，改造所利用的普通车床床身是重而坚固的铸造构件，而不是焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。而数控化改造是原有的机械结构更为简单，在减少传动链对精度影响的同时，降低了机械的故障率。6）可充分利用现有的条件。可充分利用现有地基，不需要重新构筑地基。7）增加了功能，如圆弧加工、锥度加工，甚至更复杂轮廓的加工，这是传统加工方法难以实现的。8）交货周期短，可满足生产急需。普通车床数控化改造，更换或修理磨损零件，调试大型基础零件，提高车床的精度，同时舍弃原有的进给系统，用新的数控系统驱动步进电机带动滚珠丝杠来替代。改造总费用由机械维修更新和增加的数控系统两部分组成。若车床的数控化改造的总费用仅为同类型车床价格的50%～60%时,该车床数控化改造在经济上适宜。经过考查，若购买同样配置的全新数控车床约需10万元，而车床数控改造的总费用为5.1万元，仅占51%，因此车床数控化改造在经济上是合适的。同时，增加新的数控系统及相应的机械装置大大提高了车床加工的精度和加工效率，在投资少的情况下，既满足了加工的需要，又提了高车床的自动化程度，对我国这样的一个机床大国是非常重要的[1]。1.2普通车床数控化改造研究现状1990年，我国车床产量数控化率2.24%，2000年上升为7.96%，2005年车床产量的数控化率达到了13.23%的较高水平。数控车床可以较好地解决形状复杂、精密、小批及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产率，但数控车床的应用也受到其他一些条件的限制。数控车床价格较昂贵，对于中小企业一次性投资购买大量数控车床是非常困难的，同时各企业有大量的普通车床，完全用数控车床替换根本不可能。提高车床数控化率的重要途径之一，就是将现有的普通车床改造成数控车床。许多企业一面购置数控车床一面利用数控、数显、PC技术改造普通车床，并取得了良好的经济效益。低成本的普通车床数控化改造是一项适合我国实际改造情况的先进适用技术[2]。1.3普通车床数控化改造经济分析根据对市场的调研，目前新经济型数控车床，售价8.5万/台，普通新车床CA6140，售价3．8万/台，使用寿命8～10年，而已使用了6～8年的旧车床CA6140，估价O.5万/台，通过改造还可使用4～6年。普通车床CA6140每台数控化改造所需价格大约3万，数控加工的生产率可提高20～30％。因此需要对普通车床的数控化改造进行经济性分析[3]。设备现代化改造是广义设备更新的一种方式，因此，研究现代化改造的经济性与设备更新的其他方式相比较。一般情况下，与现代化改造并存的可行方案有：继续使用旧设备、旧设备大修理、原型设备更换和更新新设备。决策的任务就是要在各种可行方案中选择设备使用总成本最小的方案。各种方案的设备使用总成本，根据《机械工程手册》的“经济性分析”，对于普通车床使用各方案投资成本及生产率以及各年使用成本见表1-1所示。由以上计算结果，比较各项更新方案中使用总成本最小者为优。如果设备只使用3年，以继续使用原设备方案为最佳；如果使用4～6年，则对原设备进行大修理的方案为佳；如果设备使用6年以上到8年，则最佳方案是将原旧机床改装为数控化机床；如果使用9年以上，则可更将普通机床更换为全新数控机床为最佳方案。因此通过以上经济性评价，对使用6～8年的普通车床，将其改造为数控化车床，是比较经济可行的。表1-1各种更新方案的投资和各年使用费用（万元）序号可行方案基本投资劳动生产率系数各年使用费用1234567891旧车床继续使用00.75522.252更换为全新普通车床3.510.030.090.230.270.310.353更换为全新数控车床20.040.060.040.160.184改装为数控车床0.180.260.340.420.50.580.660.745旧车床大修理0.190.280.370.460.550.640.730.82将上表中的数据代入各方案计算公式得到各方案逐年使用成本见表1-2。表1-2各方案逐年设备使用总成本汇总表（万元）年年份方案123456789旧车床继续使用0.330.941.792.844.065.416.878.4110.02更换为全新普通车床3.593.603.683.793.914.064.224.384.56更换为全新数控车床4.004.364.41改装为数控车床2.742.873.043.253.493.754.044.334.64旧车床大修理2.102.282.532.833.183.573.984.424.872普通车床数控化改造方案2.1改造方案设计对于普通车床的经济型数控化改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对车床的改动应尽可能少，以降低成本。（1）数控系统运动方式的设计数控系统按运动方式可分为点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。由于要求普通车床能加工复杂轮廓零件，所以选用数控系统要能实现两轴联动连续控制。（2）伺服进给系统的改造设计数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。（3）机械进给系统及刀架改造设计车床纵、横两个方向的进给运动控制,通常由步进驱动器控制的步进电机带动滚珠丝杠来实现，并由数控系统控制实现两个方向的进给运动的联动。刀架能在换刀点自动改变四个刀位完成换刀功能，刀架旋转和换刀是通过数控系统内置的可编程控制器控制三相异步电机来实现。2.2改造内容及要求数控车床主要用于轴类盘类零件的加工，能自动完成外圆柱面、内孔、锥面、圆弧面、螺纹等工序的粗细加工，并能在圆柱面或端面上进行铣槽、钻孔、铰孔等工作，可以实现回转体零件在预先加工好定位基面后，一次装夹下完成从毛坯到成品的全部工序。因此，能够极大地提高生产率。本课题研究是以CA6140车床为例，普通车床主要用于对小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工。1）车床的结构改造要求主轴仍采用原有的变速系统，主轴箱内拆除与进给箱相连的齿轮，进给系统由步进电动机驱动。主轴和进给系统结构得到简化，传动刚度也大为提高。主轴后端安装了同步运转的脉冲编码器，用于加工螺纹时实现进给与主轴转速的同步。2）数控车床的布局要求结构要紧凑以节省占地面积和空间，并采用全封闭或防护装置。3）床身的结构布局要求床身是车床主要承载部件，本改造采用原有的平床身，因为平床身是在普通车床上稍加改造而成的，价格相对较低，而目它的工艺性好，加工方便，并且刀架处于水平位置，易于保证刀具运动精度。4）车床的进给系统改造要求进给调速范围大、定位准确、无间隙误差、有较高的传动效率。所以，为满足低摩擦要求，选用滚珠丝杠、螺母传动副做传动和导向元件，可以直接选用减速步进电机，以缩小传动链，提高系统刚度，并减少传动链误差。滚珠丝杠、步进电机之间采用联轴器连接。选用两步进电机分别驱动纵向和横向的滚珠丝杠以实现进给运动。5）刀架系统要求采用电动四方刀架，可使机械结构简单，省去大量液压管路。6）数控系统要求采用开环控制系统，系统中没有反馈电路，不带检测装置，指令信号单方向传递。开环控制系统结构简单，成本低廉、易掌握，调试和维护比较方便简单，己广泛应用于一些数控车床。2.3改造方案确定本设计属于经济型数控化改造，基本原则是在满足使用要求的前提下，对车床的改动尽可能少。总体设计改造方案为：(1)车床主轴正、反转和主轴变速,在主轴的尾部安装脉冲发生器将转速信息传给计算机系统。(2)车床纵、横两个方向的进给运动控制,通常由步进驱动器控制的步进电机带动滚珠丝杠来实现，由数控系统控制要实现两个方向的进给运动的联动。(3)刀架能在换刀点自动改变四个刀位完成换刀功能。刀架旋转和换刀是通过数控系统内置的可编程控制器控制三相异步电动机来实现。 (4)数控系统选用南京菁华数控工程有限公司生产的JWK－15T数控系统。(5)驱动系统的选择:主轴驱动系统采用原有电动机驱动,进给驱动系统可以采用步进驱动器和步进电机。纵向进给机构的的具体改造方案：拆除原机床的进给箱、溜板箱、传动丝杠、光杠和操纵杠，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱和电机。综合考虑机床性能及经济性要求，选用开环控制的步进电机作为纵向进给运动的动力源。步进电动机通过减速装置与滚珠丝杠相连实现机床的进给运动。横向进给机构的具体改造方案：同纵向进给系统改造相似，采用步进电机带动滚珠丝杠结构，原有的支撑结构保留，步进电机安装在中拖板的后侧。此外，普通车床改装后即变成经济型数控车床，其工作时要求刀架能自动换位。本设计自动回转刀架采用电动四方刀架，且要求选取的自动回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力，同时保证回转刀架每次转位的重复定位精度[4]。综上，对纵向、横向进给系统及刀架的改造设计方案如图2.1所示。图2.1车床总体改造方案图2.1车床总体改造方案2.4数控化改造步骤1）对加工对象进行工艺分析。确定工艺方案加工对象是机床改造的依据，不同工件和技术要求其加工方法不同，一般是在分析零件基础绘制工序图，初步选定切削用量、刀具运动路线，估算生产效率，计算切削力、切削功率，从而计算出进给系统需要的功率和力矩，作为选择主轴及进给系统的依据。2）分析被改造机床，确定改造类型。改造机床是围绕机床本身系统加以改进，即考虑原有结构的改进，又考虑附件的改进，根据对原机床的技术规格、技术参数、各部分尺寸的分析，改造后车床为经济型数控车床，主轴转速及最大加工件尺寸和加工螺纹功能不变。3)准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。4)验收工作。改造的后期工作也很重要，验收工作应按已制定的验收标准进行，主要包括机床机械性能的验收，电气控制功能和控制精度的验收，试件切削验收。3传动及进给系统改造设计3.1设计参数对CA6140机床，最大加工直径:床面上φ400mm，床鞍上φ210mm；最大加工长度:750mm；溜板及刀架重力:纵向800N，横向600N；刀架快速移动速度:纵向24m/min,横向12m/min；最大进给速度:纵向3m/min,横向1.5m/min；主电动机功率:7.5kW；起动加速时间:30ms。根据机床精度要求确定脉冲当量,纵向:0.01mm/步；横向:0.005mm/步。3.2传动部分改造设计对普通车床进行数控改造时，一般可保留原有的主传动系统和变速操纵机构。这样既保留了车床的原有功能，又减小了改造量。经济型数控车床上加工螺纹或丝杠，需要配置主轴脉冲发生器作为车床主轴信号的反馈元件，其与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化信号，输送到数控系统。主轴脉冲发生器的安装，通常有两种方式：一是同轴安装，二是异轴安装。脉冲发生器属精密光学元件，安装时应格外小心，避免损坏光栅盘。因主轴直径较大且其结构复杂，常采用异轴安装。通常在加工螺纹时将其安装，不使用时将其断开，避免不必要的磨损和信号干扰，延长主轴脉冲发生器的使用寿命。由于增量式脉冲编码器结构简单、价格低、精度易于保证，并且能准确测量出回转件的旋转方向、旋转角度和旋转角速度，是经济型数控机床的优先选择，并且市场上该类产品很多，直接购买即可。3.3进给系统改造设计进给系统作为车床的一个重要组成部分，其性能的优劣，直接影响零件的加工质量和生产效率。而数控车床进给系统承担了数控车床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进给，进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度。为此，对车床进给传动系统要求是：低惯量，低摩擦阻力，高刚度，高谐振，无间隙传动。3.3.1纵向进给系统改造设计普通车床的经济型数控改化造方案一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。我们可以直接选取减速步进电机作为进给系统的动力源，以增加系统整体的刚度，减小传动链对加工精度的影响。减速步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端，对改造来说，外观不必像产品设计要求那么高，而从改造方便、使用方面来考虑，将其设在纵向丝杠的左端，即车床主轴箱前部，如图3.1所示[5～6]。图3.1传动系统原理图1.纵向切削力的计算和主传动电机功率的校核由《机械工程手册》第二版“机械制造工艺设备(二)"分册可知：切削功率Pm：（3-1）式中，Fc—切削力(N)Vc—切削速度(m/s)主传动电机功率PE：（3-2）式中，ηm—传动效率，ηm=0.75～0.85。车削时总切削力分解为：切削力Fc、进给力Ff、背向力Fp。切削力Fc：（3-3）进给力Ff：（3-4）背向力Fp：（3-5）式中，ap—背吃刀量(mm)f—进给量(m/r)Vc—切削速度(m/min)根据厂家提供CA6140的参数，然后以Q235钢为加工材料，进行设计计算。加工零件的最大直径d=400mm，主轴最大转速n=1400r/min，刀具选择YT5和YTl5硬质合金焊接式车刀。(1)粗车时刀具选择YT5，对于长径比小于200:1，背吃刀量ap=3.5mm，进给量f=O.35～O.65m/r，切削速度Vc=60～75m/min。查《机械工程手册》第二版“机械制造工艺设备(二)表1.2-2得：CFc=2650；XFc=1；YFc=0.75；nFc=-0.15；KFc=1；CFf=2880；XFf=1；YFf=0.5；nFf=-0.4；KFf=1。机床主轴转速：取工件毛坯直径d=410mm，切削速度Vo=70m/min，则主轴转速n：查CA6140机床主轴转速系列，可选主轴转速n为63r/min。则可计算出切削力Fc、进给力Ff、背向力Fp的值切削力Fc：进给力Ff：背向力Fp：切削功率Pm：主传动电动机功率PE：即CA6140普通车床提供的主传动电机功率7.5KW满足粗车要求。(2)精车时计算机床主轴转速取工件直径d=400mm，切削速度Vc=140m/min，则主轴转速n查CA6140机床主轴转速系列，可选主轴转速n为125r/min则可计算出切削力Fc、进给力Ff、背向力Fp的值切削功率Pm：主传动电机功率PE：即CA6140普通车床提供的主传动电机功率7.5KW满足精车要求。(3)计算结果的比较粗车和精车时切削力Fc、进给力Ff、背向力Fp的计算结果见表3-l所示。表3-lFc、Ff、Fp计算结果车削类型工件直径(mm)ap(mm)f(m/r)Vc(m/min)n(r/min)Fc(N)Ff(N)Fp(N)粗车4103.50.57063288812671073精车40020.61401251698598600经比较，粗车时的切削力比精车时大，因此本系统数控化改造设计计算按照粗车时的切削参数进行。2.纵向滚珠丝杠设计计算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[7～8]。(1)计算纵向滚珠丝杠轴向力F综合车床导轨对滚珠丝杠的作用可算得纵向滚珠丝杠轴向力F:(3－6)式中，f’—当量摩擦系数，对正常润滑的滑动导轨，三角形和矩形导轨,f’=O.15～O.18。K—倾覆力矩影响系数，三角形和矩形导轨K=1.1～1.15。则(2)寿命计算寿命系数Kh：式中Lh—滚动螺旋副的寿命，从《机械传动装置设计手册》上册表10.2～25查得，Lh=l5000h。转速系数Kn：基本额定载荷Ca:(3—7)式中，KF、KH、KL—分别为载荷系数、硬度系数、短行程系数，对中等冲击，从《机械传动装置设计手册》上册表10—26、10—27、10—28查得，KF=1.2～1.5，取值1.5；硬度最大为60HRC时KH取值1.0；行程系数最小为1是KL取值1.0。(3)选择滚珠丝杠的型号根据计算的基本额定载荷Ca≥6.31KN，查《机械零件设计手册》上册表G18—4，选择滚珠丝杠的型号CDM4006—5—P4，即外循环端盖式双螺母垫片预紧右旋滚珠丝杠副，其公称直径为Φ40mm，导程为6mm，滚珠列数为2.5x2列，精度等级为4级(一般数控机床精度等级为4级)，额定动载荷为28772N。其结构简图如图3.2所示,具体参数见表3-2所示。图3.2CDM滚珠丝杠结构简图图3.2CDM滚珠丝杠结构简图表3-2CDM4006-5-P4型滚珠丝杠的具体参数公称直径基本导程钢球直径丝杠外径螺纹底径额定载荷（KN）刚度（N/µm）d0PhDwdd1动载荷Ca静载荷C0a4063.9694035.128.895.92191螺母安装连接尺寸DD3D4BD5D6hMACLL17111090159159M63713854(4)滚珠丝杠的强度计算滚珠丝杠主要受切削工件时所产生的轴向力F和转矩T，而弯矩主要分布在机床导轨上，作用到滚珠丝杠上的弯矩较小。按照第三强度理论有：(3—8)转矩T根据滚珠丝杠步进电机选择计算(见后3)得，T=20N·m。所以，σ<<[σ]，即滚珠丝杠的强度满足设计要求。(5)纵向滚珠丝杠刚度计算滚珠丝杠受轴向负载F引起导程产生的变形量δF：(3—9)式中：Ph=6mm，E=200GPa。滚珠丝杠截面积：则：滚珠丝杠受扭矩T(N·m)引起的导程变化量δT：(3—10)式中：A—丝杠的截面积，A=967.62mm2；Jc—丝杠的极惯性矩，m4；G—钢的切变模量，对于钢G=83.3GPa；T—转矩,N·m；式中,ρ为当量摩擦角，tanρ=00025，ρ=0.14°。钢球和螺纹滚道产生的轴向变形δa：式中，Kz—载荷分布不均匀系数，与制造精度有关，通常取Kz=1.2～1.3；Fao—螺母预紧力，Fao≈0.33F；ΣZ—Z圈内的钢球数，滚珠丝杠导程变形总量Σδ：纵向滚珠丝杠刚度KΣδ：即纵向滚珠丝杠刚度足够，其刚度可满足要求。(6)滚珠丝杠稳定性计算图3.3一端固定一端游动结构图对于经济性数控机床，滚珠丝杠为长丝杠(长度为1500mm)，选用一端固定一端游动作为支承，其费用比较低廉，结构简图如图3.3所示。图3.3一端固定一端游动结构图计算滚珠丝杠柔度λ：计算临界载荷Fc：即纵向滚珠丝杠稳定性足够。经上述计算验证，纵向进给选用滚珠丝杠CDM4006—5—P4，各项性能指标均符合设计要求。3．纵向步进电机选择计算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的特点,广泛应用于各种开环控制。典型的步进电机控制系统如图3.4所示。步进电机控制系统主要是由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。步进控制器是由缓冲寄存器、环行分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成。它的作用就是能把输入的脉冲转换成环行脉冲,以便控制步进电机,并能进行正、反向控制。功率放大器的作用是把控制器输出的环行脉冲加以放大,以驱动步进电机转动。负载负载步进电机功率放大器脉冲步进控制器方向控制图3.4步进电机控制的组成参考同类机床,为了满足最小步距及减速要求，通过综合考虑转矩与工作频率，选用南京菁华数控工程有限公司生产的三相反应式减速步进电机JBF-6,如图3.5所示。其结构如图3.6所示，其主要参数见表3-3所示，外形尺寸及安装尺寸见表3-4所示。而机床要求刀架快速移动速度:24m/min,最大进给速度:3m/min,起动加速时间:30ms。定位精度：±0.015mm。计算与校验如下：图3.6JBF-6步进电机结构图3.6JBF-6步进电机结构图3.5JBF步进电机表3-3JBF-6步进电机参数电机型号减速比步距角（°/step）静转矩（N·m）配用丝杠mm脉冲当量mm出轴130BC3100A1:10.62060.01长表3-4JBF-6步进电机外形尺寸及安装尺寸型号电机型号DD1D2D3L1L2L3L4H出轴JBF-6130BC3100A1304080320250590190长（1）计算降速比i:式中，α—步进电机的步距角，°/step；Ph—丝杠螺距，mmδ—脉冲当量，mm/step。故步进电机上安装齿轮减速比1:1完全符合要求。（2）转动惯量计算传动系统折算到电机轴上总的转动惯量J：(3-11)式中,Jl—负载转动惯量，Jl=J1+Js。J1—工作台折算到电机轴上的转动惯量,式中，m—工作台质量，m≈80kg。Js—滚珠丝杠转动惯量,JM—步进电机转子转动惯量,查厂家提供参数,JM=1000kg·mm2;所以，总的转动惯量J：考虑步进电机与传动系统惯量匹配的问题，由即纵向步进电机本身的转动惯量JM与总的负载的转动惯量Jl之比稍大于3，即纵向总的负载转动惯量与电动机本身的转动惯量基本相匹配，并且在快速进给时能保证强的速度能力，满足转动惯量的要求。（3）电动机力矩计算机床在不同的工况下,所需转矩不同,下面分别按各阶段计算:加速力矩Ma：摩擦力矩Mf：式中η为传动链总效率取0.8；Fo为导轨静摩擦力，Fo=3000×0.2=600N。摩擦附加力矩Mo：④快速空载起动力矩M：因此，选用20N·m的步进电机完全满足要求。最小机械时间常数Tmin:

(3-12)(3-13)式中，J—总的转动惯量。ωmax—步进电机的最大角速度，nmax为纵向丝杠最大转速，Tdmax—电机输出的电磁转矩。电机输出的最大电磁转矩Tdmax，查《电机工程手册》可知，在加速和减速过程中，按两倍的额定转矩计算，即即纵向最小机械时间常数满足要求在lms-1000ms之间(查车床数控系统的参数)。经上述计算验证，纵向步进电动机选为：三相反应式减速步进电机JBF-6，各项性能指标均符合设计要求。4.纵向进给轴承选择计算滚珠丝杠副的正确安装及支承，对结构的刚度影响很大。螺母座及丝杠端部的轴承及其支承加工的不精确性和其受力后的过量变形，都会给进给系统的传动刚度带来影响。因此，螺母座的孔与螺母之间必须保持良好的配合，并保证孔对端面的垂直度，螺母座应增加适当的肋板，加大螺母座和机床结合的面积，以提高螺母座的局部刚度和接触刚度[12]。常用的支承方式见表3-4所示。设计所选纵向滚珠丝杠的支承形式为一端固定一端游动，如图3.3所示，左端是两个角接触球轴承，右端是一个调心球轴承组成的支承结构，可满足支承要求。与常见的支承方式不同，这种支承更能保证滚珠丝杠的回转刚度，滚珠丝杠的热变形也较小，结构简单，投资少，但能保证加工精度。根据结构设计方案，纵向丝杠的左端轴承初选两个成对的角接触轴承，轻系列，内径35mm，公称接触角250，代号为7207AC，右端轴承初选为调心球轴承，轻系列，内径20mm，代号为1204。为了保证轴承正常工作，向心角接触轴承通常成对使用，对称安装，本设计按外圈窄边相对安装(正装)，简化计算时可近似认为支点在轴承宽度的中心处。(1)纵向滚珠丝杠轴承的受力分析将螺母视为滑块，其上有轴向载荷，假定集中作用于中径圆周上。根据螺旋形成原理，将螺杆沿中径展开，可以得到一个斜面。当螺母旋转时，可视为滑块沿斜面上升或下降，由力学受力分析可知，滑块承受载荷F(轴向力)并沿斜面旋转时，所需要的水平推力Fh(圆周力)的大小为：根据力学知识，对此支承结构进行受力分析，列力学方程求得左端轴承的最大径向力FrA为93.53N，右端轴承的最大径向力FrB为97.98N。(2)纵向轴承的寿命计算1)轴承的轴向力计算向心角接触球轴承在承受径向载荷Fr的作用下，将产生使轴承内、外圈分离的附加派生轴向力Fd，对于α=25°的角接触球轴承Fd=0.68Fr，其方向由轴承外圈端面的宽边指向窄边。表3-4滚珠丝杠副的支承结构序号支承方式支承结构特点应用1一端装止推轴承（固定-自由式）承载能力小，轴向刚度低短丝杠，调整环节或升降台的垂直坐标2一端装止推轴承一端装深沟球轴承（固定-支承式）滚珠丝杠较长时，为减小丝杠热变形影响，止推轴承的安装位置应远离热源3两端装止推轴承止推轴承再施加预紧拉力，有助于提高传动刚度。此方式对热伸长较敏感4两端装双重止推轴承及深沟球轴承（固定-固定式）此方式可将丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力左端轴承的附加的轴向力FdA：左端轴承的轴向载荷FaA：右端轴承的轴向载荷FaB：2)轴承的当量载荷计算①左端轴承的当量载荷计算查《机械工程手册》第二版“机械零部件设计"表8.8-3得轴承7207AC:动载荷Cr=22.5KN，静载荷C0r=16.5KN。得：X=1，Y=0.92。左端轴承的当量载荷，②右端轴承的当量载荷计算查《机械工程手册》第二版“机械零部件设计"表8.8-2得调心球轴承1204：动载荷Cr=12.8KN，静载荷Cor=3.36KN。得：X=1，Y=O.42。右端轴承的当量载荷3)轴承寿命的计算①左端轴承寿命的计算LhA:查《机械工程手册》第二版,对于球轴承ε=3。如果按一天工作16小时，一年工作300天，此轴承可以使用11年，故所选轴承合适。②右端轴承寿命的计算LhB:如果按一天工作16小时，一年工作300天，此轴承可以使用19年，故所选轴承合适。根据以上设计，绘出纵向进给传动系统的装配图见图JB07-2011-03。3.3.2横向进给系统改造设计横向进给系统的设计相对纵向进给系统较简单，也是由步进电机驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，并要保证其同轴度，提高传动精度。根据厂家提供CA6140的参数，然后以Q235钢为加工材料，进行设计计算。加工零件的最大直径d=400mm，主轴最大转速n=1400r/min，刀具选择YT5和YTl5硬质合金焊接式车刀。1.横向切削力的计算和主传动电机功率的校核同样是选取粗车时的切削力为计算力，刀具选择YT5，对于长径比小于200:1背吃刀量ap=1mm，进给量f=O.3～O.6m/r，切削速度Vc=60～75m/min。查《机械工程手册》第二版“机械制造工艺设备(二)表1.2-2得：CFc=3600；XFc=0.72；YFc=0.8；nFc=0；KFc=1；CFp=1390；XFp=0.73；YFp=0.67；nFp=0；KFp=1。机床主轴转速：取工件毛坯直径d=410mm，切削速度Vc=70m/min，则主轴转速n：查CA6140机床主轴转速系列，可选主轴转速n为63r/min。则可计算出切削力Fc、进给力Ff、背向力Fp的值切削力Fc：进给力Ff：背向力Fp：切削功率Pm：主传动电动机功率PE：即CA6140普通车床提供的主传动电机功率7.5KW满足粗车要求。2.横向滚珠丝杠设计计算同纵向滚珠丝杠副的设计相同，滚珠丝杠副的设计即为滚珠丝杠副型号的选择。(1)计算横向滚珠丝杠轴向力综合车床导轨对滚珠丝杠的作用可计算纵向滚珠丝杠轴向力F:(2)寿命计算寿命系数Kh：式中Lh—滚动螺旋副的寿命，从《机械传动装置设计手册》上册表10.2～25查得，Lh=l5000h。转速系数Kn：基本额定载荷Ca:(3)选择滚珠丝杠的型号根据计算的基本额定载荷Ca≥6.04KN，查表《机械零件设计手册》表G18—4，选择滚珠丝杠的型号CDM2004—5—P4，即外循环端盖式双螺母垫片预紧右旋滚珠丝杠副，其公称直径为Φ20mm，导程为4mm，滚珠列数为2.5x2列，精度等级为4级(一般数控机床精度等级为4级)，额定动载荷为10639N[9]。具体参数见表3-5所示。表3-5CDM2004-5-P4型滚珠丝杠的具体参数公称直径基本导程钢球直径丝杠外径螺纹底径额定载荷（KN）刚度（N/µm）d0PhDwdd1动载荷Ca静载荷C0a2042.38119.717.010.628.71178螺母安装连接尺寸DD3D4BD5D6hMACLL1406653115.8109M63410047(4)滚珠丝杠的强度计算滚珠丝杠主要受工件切削时产生的轴向力F和转矩T，而产生的弯矩主要分布在机床导轨上，作用到滚珠丝杠上的弯矩较小。按照第三强度理论有，转矩T根据纵向滚珠丝杠轴的步进电机选择计算(见后)得，T=16N·m。所以，σ<[σ]，即滚珠丝杠的强度满足设计要求。(5)横向滚珠丝杠刚度计算滚珠丝杠受轴向负载F引起导程产生的变形量δF：滚珠丝杠受扭矩T(N·m)引起的导程变化量δT：钢球和螺纹滚道产生的轴向变形δa：式中，Kz—载荷分布不均匀系数，与制造精度有关，通常取Kz=1.2～1.3；Fao—螺母预紧力，Fao≈0.33F；ΣZ—Z圈内的钢球数，滚珠丝杠导程变形总量Σδ：横向滚珠丝杠刚度KΣδ：即横向滚珠丝杠刚度足够，其刚度满足要求。(6)滚珠丝杠稳定性计算对于经济性数控机床，滚珠丝杠为长丝杠(长度为800mm)，选用一端固定一端游动作为支承，相对于一端固定一端铰支支承方式其结构更简单，经济性更好。计算滚珠丝杠柔度λ：计算临界载荷Fc：即纵向滚珠丝杠稳定性足够。经上述计算验证，横向进给选用滚珠丝杠CDM2004—5—P4，各项性能指标均满足设计要求。3.横向步进电动机选择计算为了满足最小步距及减速要求，综合考虑通过转矩与工作频率，选用南京菁华数控工程有限公司生产的三相反应式减速步进电机JBF-7A。其主要参数见表3-6所示，外形尺寸及安装尺寸见表3-7所示。表3-6JBF-7A步进电机参数电机型号减速比步距角（°/step）静转矩（N·m）配用丝杠mm脉冲当量mm出轴110BC380C5:30.451640.005短表3-7JBF-7A步进电机外形尺寸及安装尺寸型号电机型号DD1D2D3L1L2L3L4H出轴JBF-7A110BC380C11020402852189028185短而机床要求刀架快速移动速度:12m/min,最大进给速度:1.5m/min,起动加速时间:30ms。定位精度：±0.015mm。计算与校验如下。（1）转动惯量计算传动系统折算到电机轴上总的转动惯量J：负载转动惯量Jl:Jl=J1+Js式中,J1—工作台折算到电机轴上的转动惯量,式中m是工作台质量，m=60kg。Js—滚珠丝杠转动惯量,JM—步进电机转子转动惯量,查厂家提供参数,JM=800kg·mm2;所以，总的转动惯量J：考虑步进电机与传动系统惯量匹配的问题，由即横向步进电机本身的转动惯量JM与总的负载的转动惯量Jl基本相匹配，但在快速进给时加速能力较为富余，满足惯量匹配的要求。（2）电动机力矩计算机床在不同的工况下,所需转矩不同,下面分别按各阶段计算:①加速力矩Ma：②摩擦力矩Mf：式中η为传动链总效率取0.8；F0为导轨静摩擦力，F0=2000×0.2=400N。③摩擦附加力矩Mo：④快速空载起动力矩M：因此，选用16N·m的步进电机完全满足要求。（3）最小机械时间常数Tmin:

式中，J—总的转动惯量ωmax—步进电机的最大角速度其中，nmax为纵向丝杠最大转速，Tdmax—电机输出的电磁转矩电机输出的最大电磁转矩Tdmax，查《电机工程手册》可知，在加速和减速过程中，按两倍的额定转矩计算，即即横向最小机械时间常数在lms-1000ms之间，满足设计要求。经上述计算验证，横向步进电动机选为：三相反应式减速步进电机JBF-7A，各项性能指标均满足设计要求。4.横向进给轴承选择计算为了设计简单并要求要足够的强度，横向滚珠丝杠与步进电机轴采用套筒联轴器联接，其支承形式同纵向滚珠丝杠的支承形式略有不同，同为一端固定一端游动，后一端是两个成对使用，正装的角接触球轴承，但前一端是一个深沟球轴承组成的结构，结构更简单并且可满足支承要求。根据结构设计方案，横向丝杠的后端轴承初选两个成对的角接触轴承，轻系列，内径25mm，公称接触角250，代号为7205AC，前端轴承初选为深沟球轴承，轻系列，内径15mm，代号为6202[10]。(1)横向滚珠丝杠轴承的受力分析由力学受力分析可知，滑块承受载荷F(轴向力)并沿斜面旋转时，所需要的水平推力Fh(圆周力)的大小为：根据力学知识，对此支承结构进行受力分析得，滚珠丝杠后端轴承的最大径向力FrA为53.24N，前端轴承的最大径向力FrB为57.68N。(2)横向轴承的寿命计算1)轴承的轴向力计算角接触球轴承在承受径向载荷Fr的作用下，将产生使轴承内、外圈分离的附加的派生轴向力Fd，对于α=25°的角接触球轴承Fd=0.68Fr，其方向由轴承外圈端面的宽边指向窄边。后端轴承的附加的轴向力FdA：后端轴承的轴向载荷FaA：后端另一轴承的轴向载荷FaA：2)轴承的当量载荷计算①后端轴承的当量载荷计算查《机械工程手册》第二版“机械零部件设计"表8.8-3得轴承7205AC:动载荷Cr=12.2KN，静载荷C0r=8.38KN。得：X=1，Y=0后端轴承的当量载荷，②前端轴承的当量载荷计算查《机械工程手册》第二版“机械零部件设计"表8.8-2得调心球轴承6202：动载荷Cr=7.64KN，静载荷Cor=3.72KN。前端轴承的当量载荷,3)轴承寿命的计算①后端轴承寿命的计算LhA:查《机械工程手册》第二版,对于球轴承ε=3。由上可知，后端轴承的使用寿命远远大于横向滚珠丝杠的使用寿命，故设计满足要求。②前端轴承寿命的计算LhB:如果按一天工作16小时，一年工作300天，此轴承可以使用20年，故所选轴承满足要求。根据以上设计，绘出横向进给传动系统的装配图见图JB07-2011-04。4自动回转刀架改造设计刀架的改造是普通车床进行经济型数控改造方面的关键,将原手动刀架换成微机控制的自动回转刀架,可以用程序数控转换刀具进行切削加工,重复定位精度高、工作刚性好、性能可靠；不仅大大提高了生产效率和加工精度；减轻了工人的劳动强度，缩短了数控机床的辅助时间，还可以满足在一次安装中完成多工序、工步加工的要求。对现有的普通车床进行数控化改造,使其具有数控加工的能力,是提高企业数控化的有效途径。进行数控改造后,车床从一个普通车床变成了一个自动车床。自动车床在工作中各个部件必须能自动地工作。当加工复杂的工件时,需要几把车刀轮换使用,就要求刀架能自动换位。自动回转刀架型有四方刀架、六角刀架,即在其上装有4把、6把刀具。自动回转刀架必须具有良好的强度和刚度,以承受粗加工的切削力,同时证回转刀架在每次转位的重复定位精度。安装时须注意以下两点:①电动刀架的两侧面与原车床纵、横向进给方向相平行。②电动刀架与系统的连线在安装应合理,以免加工时切屑、冷却液及其他杂物磕碰电动刀架连线。4.1数控改造自动回转刀架选型经济型数控车床配备的四工位自动回转刀架,是根据微机数控系统改造传统车床设备的需要,同时兼顾刀架在车床上能够独立控制的需要而设计的。由于刀架生产厂家无统一标准,因此,其结构、尺寸各异。对CA6140型普通车床进行改造,根据车床的型号及主轴中心高度,可以仿照常州宏达电机厂生产的LD4型四工位电动刀架。如图4.1所示，LD4型系列立式电动刀架采用蜗轮蜗杆传动，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。在进行改造时这种电动刀架的安装较为方便,安装时,拆除车床原手动刀架和小拖板,置刀架于中拖板上,卸掉电机风罩,逆时针方向转动电机,或转动轴承盖处内六角螺孔,使刀架转动到45°左右时,装上螺钉,然后固定刀架即可。图4.1LD图4.1LD4型四工位电动刀架图4.2电动刀架工作原理图图4.3刀架结构图如图4.3所示，LD4−CK6140立式转位刀架结构，有4个刀位，与未改造前的普通车床刀位相同，能满足加工需要。其转位刀架结构尺寸参数见表4-1所示，其它参数见表4-2所示。图4.3刀架结构图表4-1LD4-CK6140尺寸参数型号H1H2H3AEE1DD1B19281401922020152152192LD4−CK6140FCφL1L2L3L4Φ'12168133752421622390表4-2LD4−CK6140自动转位刀架其它参数型号电机功率W电机转速n/min锁紧力kN重复定位精度mm寿命换刀时间s90o180o270oLD4−CK614090140012≤0.005≥3000002.533.54.2数控车床自动回转刀架工作原理为实现自动转位换刀,刀架可完成松开→抬起→转位→落下→定位→夹紧几个动作。如图4.2所示,电动机1通过弹簧安全离合器2传动到蜗杆,经蜗杆蜗轮传动，带动蜗轮上带有的螺母绕固定安装丝杠3转动。使刀架体4抬起,此时上齿盘与下齿盘分离，随后带动刀架转动至所控制位置后停止。同时刀架内装信号盘发出信号，数控系统立即控制继电器使电动机反转，带动上刀架体下降，直至齿牙盘啮合，完成定位。并通过蜗轮蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。刀架夹紧后,系统向数控装置发出转位完成信号,电机停转。至此,实现了一次自动转位换刀过程[10]。4.3自动回转刀架计算校验4.3.1蜗杆副的设计计算自动回转刀架的动力源为三相异步电动机，其蜗杆与电动机经减速齿轮相联，刀架转位时蜗轮与上刀体直接相联。已知电动机额定功率P1=90W，额定转速n=1400r/min，经减速齿轮减速后n1=600r/min，上刀体预设转速n2=30r/min，则蜗杆副的传动比i=n1/n2=600/30=20。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆逆向转动，载荷不均匀，开始工作时冲击较大，现要求蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。（1）蜗杆的选型按GB/T10085-1988，由于要求布局简略、制造便利，可采用渐开线蜗杆（ZI蜗杆）。（2）蜗杆副的材料刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，蜗杆的材料选择45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为45～55HRC，以提高外表齿面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCuSn10P1,采用金属模铸造。为了节约贵重的有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮芯可用灰铸铁HT150制造。（3）按齿面接触疲劳强度设计校核刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或齿面点蚀而失效。所以，在进行承载能力校核时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。按齿面接触疲劳强度条件设计计算公式为：（4-1）式中，a—蜗杆副的传动中心距，mm；K—载荷系数；T2—效用在涡轮上的转矩T，N.mm；ZE—弹性影响系数，MPa；ZP—接触系数；[σ]H—许用接触应力，MPa；从式算出蜗杆副的中心距a之后，按照已知的传动比i=20，可以选择合适的中心距a值，以及相应的蜗杆、蜗轮参数。1）确定作用在蜗轮上的转矩T设蜗杆头数Z1=1,蜗杆副的传动效率取η=0.7。由电动机的额定功率P1=90W,可以算出蜗轮传递的功率P2=0.9η·P1（假定减速齿轮效率为0.9）,再由蜗轮的转速n2=30r/min,求得蜗轮上的转矩：T2=9.55P2/n2=9.55×0.9×0.7×90/30=18.05N·m2）确定载荷系数K（4-2）式中，KA为使用系数，因为载荷分布不均匀，开始工作时冲击较大，所以取KA=1.15；KV为动载系数，因转速不高，可取KV=1.05；Kα为齿间载荷分配系数，因齿轮经表面硬化处理，可取Kα=1.0；Kβ为齿向载荷分布系数，因载荷在开始工作和停止时有变化，故取Kβ=1.15。3）确定弹性影响系数ZE铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，查得弹性影响系数ZE=160MPa。4)确定接触系数Zp先假定蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比为d1/a=0.35,可查得接触系数ZP=2.9。5)确定许用接触力[σ]H按蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1,金属模铸造，蜗杆齿面硬度大于45HRC，蜗轮的基本许用力[σ]=268MPa，假定蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数j=1；涡轮转速n2=30r/min；蜗杆副的使用寿命L=10000h。则应力轮回次数N(4-3)使用寿命系数：许用接触应力：6）计算中心距将以上各参数代入式（4-1），求得中心距：取中心距a=75mm,已知蜗杆头数z1=1,设模数m=5mm,蜗杆直径d1=50mm,这时候d1/a=0.66,可查得接触系数Z'p=2.74。因为Z'p<Zp，则上述设计布局合理。（4）蜗杆和蜗轮的主要设计参数和几何尺寸由蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参数，算出蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸，以便绘制蜗杆副传动图。1）蜗杆参数及尺寸蜗杆头数Z1=1,模数m=5mm,轴向齿距Pa=π×m=3.14×5=15.7mm,轴向齿厚Sa=0.5×m=2.50mm,分度圆直径d1=50mm,直径系数q=d1/m=10,分度圆导程角γ=arctan(Z1/q)=4°34'26''。2）蜗轮参数及尺寸由上述设计计算可知，蜗轮齿数Z2=20,模数m=5mm,算得：蜗轮分度圆直径为；变位系数为；蜗轮齿顶圆直径为；蜗轮齿根圆直径为。(5)校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度，即校验下式是否成立：（4-4）式中，σF—蜗轮齿根弯曲应力，MPa；YFa2—蜗轮齿形系数；Yβ—螺旋角影响系数；[σF]—蜗轮的许用弯曲应力，MPa。由蜗杆头数Z1=1，传动比i=20,可以算出蜗轮齿数Z2=iZ1=20，则蜗轮的当量齿数：根据蜗轮变位系数x2=0和当量齿数ZV2=21.02,查得齿形系数：YFa2=1.95，旋转角影响系数：Yβ=1-γ/140°=0.967。按蜗轮的材料和制造工艺，可查得蜗轮基本许用弯曲应力：[σF]'=56MPa。蜗轮的使用系数：KF=0.725。蜗轮的许用弯曲应力：将以上参数带入式（4-4），得到蜗轮齿根弯曲应力：可见，σF<[σF],即蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。4.3.2蜗杆其他相关参数（1）蜗杆螺距蜗轮带动刀架转位时，要求蜗杆在转到约170°时，上刀体的端面齿与下刀体的端面齿离开；在锁紧的时，要求上下端面齿的啮合深度达2mm。所以，蜗杆的螺距P应满足P×170/360>2mm，即P>4.24mm，现取蜗杆的螺距P=6mm。（2）其他参数采用单头蜗杆，齿形角α=20°，蜗杆齿顶圆直径da1=57.5mm，顶隙c=1.25mm,蜗杆齿顶高h1=3.75mm,蜗杆分度圆直径d1=50mm,蜗杆齿根圆直径df1=37.5mm,蜗杆齿宽b1=70mm。（3）自锁机能校核蜗杆材料45钢，蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1，取二者的摩擦因子f=0.11，查得上述螺旋副的当量摩擦角约为6.5°，而螺纹升角约为2.33°，小于当量摩擦角。所以，所选几何参数满足自锁条件。4.3.3蜗杆传动热平衡计算蜗杆传动效率低,所以工作时发热量大。在闭式传动中，如果产生的热量不能及时发散，会因温度不断升高,而使润滑油稀释，从而增大摩擦损失，甚至发生胶合。所以，必须根据单位时间的发热量H1等于同时间内的散热量H2进行热平衡计算。以保证系统工作温度稳定地处于规定的范围内，在一定条件下，保持正常的工作温度所需要的散热能力，面积为：(4-5)式中，P—蜗杆传递的功率；P=0.9η·P1=0.9×0.7×90=56.7Wη—蜗杆传递的效率；η=0.7αd—箱体的表面传热系数，取tα—润滑油的工作温度，取tα=70℃t0—周围空气的温度，常温情况取t0=20℃则，因为蜗轮蜗杆副箱体面积S1约为362cm2。所以热平衡条件满足。综上所述，选用的自动回转刀架结构合理，满足设计要求。绘出自动回转刀架装配图见图JB07-2011-05。5数控系统改造设计5.1车床数控系统概述经济型数控车床数控系统必须具备数控车床的全部功能和要求。车床数控系统与一般数控系统组成基本相同，由硬件和软件共同完成数控任务。主要由输入/输出装置、数控装置、伺服驱动系统和可编程逻辑控制器四部分组成[11]。1）数控系统主要功能数控系统采用微处理器，实质上就是一台专用微型计算机，通过硬件和软件实现全部的数控功能。数控系统的功能主要反映在准备功能G指令代码和辅助功能M指令代码上。其功能主要有轴控制功能、准备功能、插补功能、进给功能、刀具功能、主轴功能、辅助功能、字符显示功能、自诊断功能、补偿功能、固定循环功能、图形显示功能、通信功能、人机对话功能等。2）数控系统分类机床数控系统的种类很多，通常按机床运动轨迹可将数控系统分为三大类：点位控制系统，直线切削控制系统，连续切削控制系统。按控制方式可以分为开环控制系统和闭环控制系统。按数控系统的功能水平，可以分为经济型、普及型、和高档型数控系统。5.2数控装置的软硬件结构数控装置是数控系统的核心，其功能和指标决定了数控系统的档次。控制轴数、联动轴数、插补功能、进给速度、辅助功能等都是由数控装置的相应功能决定的。有了硬件，软件才能有效的运行。1．数控装置硬件结构数控装置是在硬件环境支持下，按照系统监控软件的控制逻辑进行工作的，其控制功能在相当程度上取决于硬件结构。数控系统的硬件工作原理如图5.1所示。数控系统控制单元接口数控系统控制单元接口部分驱动电路控制对象电源图5.1数控系统硬件框图1)中央处理器单元CPUCPU是数控系统的核心，其作用是进行数据运算处理和控制各部分电路的协调工作。2)总线总线是CPU与部分电路进行信息交换和通信的必由之路。总线包括数据总线、地址总线和控制总线。3）存储器存储器用于存放数控系统软件、应用程序和运行中所需的各种数据。4）输入/输出接口输入/输出（I/O）接口是数控装置和机床、操作面板之间信号交换的转换接口，是数控系统与外界交换信息的必由之路，在数控系统中占有重要的位置。数控装置的硬件结构有多种类型，根据控制功能的复杂程度和使用微处理器的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构；按数控装置的