機電系普通車床數控化改造設計論文

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1、 畢業論文 ? ? 題 目：數控機床改進 學 科： 學 生： 指導教師： 畢業設計（論文）任務書 一、畢業設計(論文)題目：普通車床數控化改造 二、畢業設計(論文)內容： 1.對CA6140數控車床的一些主要機構主軸箱及典型機構主傳動系統、進給傳動系統、自動回轉刀架、機床尾座進行分析，了解其的大致結構組成。 2.重點對機床進給伺服系統機械部分以及步進電動機改造設計和計算和同步帶傳

2、動改造設計。為了提高支承剛度，采用向心推力球軸承對加止推軸承支承方式。齒輪間隙采用雙薄片調隙方式；為提高橫向進給系統剛度，支承方式采用兩端裝止推軸承。 3. 對數控系統驅動的電路進行設計。驅動電路采用離低壓驅動方式。 4. 潤滑系統的改造。采用油氣潤滑方式，這種潤滑方式不同于油霧潤滑方式，油氣潤滑是用壓縮空氣把小油滴送進軸承空隙中，油量大小可達最佳值。壓縮空氣有散熱作用，潤滑油可回收，不污染周圍空氣。 畢業設計（論文）開題報告 一.選題的背景與意義： 本課題針是一種加工效率高，操作性能好，社會擁有量大的普通車床-C614

3、0型車床，對機械部分重新設計、裝配，對電氣部分在原有基礎上進行較大規模的技術更新，較大幅度地提高水平和檔次。目的為重新恢復其使用，提高其精度、效率和自動化程度，提高性能或檔次，更好的適應新工藝、新技術使用。 中國目前機床總量380余萬臺，而其中數控機床總數只有11.34萬臺，即我國機床數控化率不到3%。近10年來，中國數控機床年產量約為0.6-0.8萬臺，年產值約為18億元。機床的年產量數控化率為6%。中國機床役齡10年以上的占60%以上;10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20%, FMC/FMS等自動化生產線更屈指可數(美國和日本自動和半自動機床占60%以上)。可見大多數制造行業和企

4、業的生產、加工裝備絕大數是傳統的機床，而且半數以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝各加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業的產品、市場、效益，影響企業的生存和發展。 工業發達國家的軍、民機械工業，在70年代末、80年代初已開始大規模應用數控機床，本質是采用信息技術對傳統產業(包括軍、民機械工業)進行技術改造。除在制造過程中采用數控機床、FMC, FMS外，還包括在產品開發中推行CAD, CAE, CAM,虛擬制造以及在生產管理中推行MIS(管理信息系統)、CIMS等等。以及在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智

5、能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業進行深入改造〔稱之為信息化)，最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上竟爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統產業方面比發達國家約落后20年，每年都有大量機電產品進口，為推動我國機電一體化系統的發展，作為機械設計專業的一名大學生，有責任做出自己的努力。 隨著科學技術的發展,現代機械制造要求產品的形狀和結構不斷改進，對零件的加工質量的要求也越來越高。隨著社會對產品多樣化要求的增強，產品品種增多,產品更新換代加速。數控機床代替普通機床被廣泛應用是一個必然的趨勢。它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選

6、擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數字記錄在控制介質上，然后將數字信息送入數控裝置或計算機，經過譯碼，運算，發出各種指令控制機床伺服系統或其它的執行元件，加工出所需的工件。數控機床與普通機床相比，其主要有以下的優點：?? 1. 適應性強，適合加工單件或小批量的復雜工件；在數控機床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現新工件加工。?? 2. 加工精度高；?? 3. 生產效率高；?? 4. 減輕勞動強度，改善勞動條件；?? 5. 良好的經濟效益；?? 6. 有利于生產管理的現代化。?? ? 二.研究的基本內容與擬解決的主要內容： 對CA6140

7、車床主進行數控改造。1.對CA6140數控車床的一些主要機構主軸箱及典型機構主傳動系統、進給傳動系統、自動回轉刀架、機床尾座進行分析，了解其的大致結構組成。2.重點對機床進給伺服系統機械部分以及步進電動機改造設計和計算和同步帶傳動改造設計。為了提高支承剛度，采用向心推力球軸承對加止推軸承支承方式。齒輪間隙采用雙薄片調隙方式；為提高橫向進給系統剛度，支承方式采用兩端裝止推軸承。3. 對數控系統驅動的電路進行設計。驅動電路采用離低壓驅動方式。4. 潤滑系統的改造。采用油氣潤滑方式，這種潤滑方式不同于油霧潤滑方式，油氣潤滑是用壓縮空氣把小油滴送進軸承空隙中，油量大小可達最佳值。壓縮空氣有散熱作用，潤

8、滑油可回收，不污染周圍空氣。 三. 研究的方法與技術路線： 通過觀察普通CA6140車床和普通CA6140數控車床，確定其改造方向，并對其進行改造，并查閱有關資料，對進給伺服機構機械部分和軸組件部分重新進行計算，使其提高性能。對進給伺服機構機械部分和軸組件部分重新進行計算是這次設計中的一大難點，通過查閱有關以往普通CA6140數控車床資料，經過反復修改計算，將其性能提高?？v向進給機械結構改造方法，為了提高支承剛度，采用向心推力球軸承對加止推軸承支承方式。齒輪間隙采用雙薄片調隙方式。.橫向進給機械結構改造方法，為提高橫向進給系統剛度，支承方式采用兩端裝止推軸承。減速機構改造方法，采用同步齒形

9、帶傳動機構。軸組件改造方法，主軸采用空心形狀大大減小了應力的集中，使軸的剛度有很大提高。計算并驗證分析解決上述改造相關問題所擬定的設計參數。數控控制板改造方法，為提靠性和處理速度，采用硬件環形分配器產生脈沖控機的運轉。為增強系統的抗干擾能力，輸入輸出信號要經電隔離。驅動電路改造方法，采用離低壓驅動方式。隔離電路和功率放大電路改造方法，隔離電路采用的光電隔離電路；功率放大電路采用雙電源型。潤滑方式的改造方法，采用油氣潤滑方式替代傳統的油霧潤滑方式。 四. 研究的總體安排與進度： 12月12號聽指導老師講授如何寫作畢業論文，選題目。 12月13號到12月28號，根據指導老師

10、的指導看有關論文的書籍。 畢業論文第一稿在指導老師全面修改后完成。 10年1月1號開始寫第二稿，寫完成后，交給指導老師修改，2月25號打印出第二稿。 2月26號開始寫第三稿，在指導老師的輔導下于3月10號完成。 3月20號把論文一、二、三稿、電子稿都上交給班主任 指導教師審核意見： 目?? 錄 摘要…………………………………………………………?? …………………………..(1) 設計任務及要求……………………………………………………………………………?(1) 一? 車床主傳動變速箱結構分析…………………………………………………….… ?(1) 二? 數控車床頭箱

11、結構分析……………………………………………………………….(2) 2.1? 主傳動系統?……………………………………………………………….……….（4） 2.2? 進給傳動系統……………………………………………………………………….（4） 2.3? 自動回轉刀架……………………………………………………………………….（4） 2.4? 機床尾座…………………………………………………………………………….（4） 三??伺服系統及步進電動機的設計和計算………………………………………………（4） 3.1伺服系統結構改造設計方案………………………………………………………….(4) 3.2

12、進給伺服機構機械部分的設計計算………………………………………………….(5) 四 ?同步帶傳動設計……………………………………………………………………….(5) 4.1? 同步齒形帶的選擇和校核…………………………………………………………..(5) 4.2? 主軸組件的設計……………………………………………………………………..(8) 五?? 數控系統驅動的電路設計……………………………………………………….?..(10) 5.1硬件電路的基本組成………………………………………………………………….(10) 5.2 控制系統的功能……………………………………………………………………

13、…(12) 六? 潤滑系統的改造………………………………………………………………………(14) 體會…………………………………………………………?…………………………. .(14) 致謝………………………………………………………………………………………..(14) 參考文獻……………………………………………………………….………………….(15) 普通車床數控化改造 摘要:中國是一個傳統的機械制造大國，但其裝備水平落后，特別是一些老的機械制造廠大多還是比較舊的機床，遠遠不能滿足加工的要求。針對目前制造業的技術裝備現狀，對傳統機械制造業裝備進行改造，解決機械制造業中的一些技術

14、問題，用現代先進技術對舊的設備進行改造和提升，是我國制造業的發展方向。本課題是針對CA6140普通廢舊車床進行數控化改造，其現實意義在于如何尋找一種可行的、有推廣價值的設備改造方法，對傳統機械制造行業的技術裝備進行技術提升，以解決目前設備老化所帶來的問題。本課題研究過程中，首先對目前工廠所使用的常規數控機床進行了全面的調查和分析。在結合原C6140車床本身的結構和運動特性，對其主傳動部分進行重新計算設計，設計出符合改造要求的主傳動系統，在滿足正常加工的條件下，選擇合適的動力與控制系統，使整個主傳動系統能在控制系統下完成設計所要求動力運轉，并實現數控車床的無級調速的性能。? 關鍵字：普通車床　

15、數控車床　改造設計 前? 言 ???? 隨著科學技術的發展,現代機械制造要求產品的形狀和結構不斷改進，對零件的加工質量的要求也越來越高。隨著社會對產品多樣化要求的增強，產品品種增多,產品更新換代加速。數控機床代替普通機床被廣泛應用是一個必然的趨勢。同時，數控機床將向著更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能發展。 機床作為機械制造業的重要基礎裝備，它的發展一直引起人們的關注，由于計算機技術的興起，促使機床的控制信息出現了質的突破，導致了應用數字化技術進行柔性自動化控制的新一代機床－數控機床的誕生和發展。計算機的出現和應用，為人類提供了實現機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發展，

16、數控機床也得到迅速的發展和廣泛的應用，同時使人們對傳統的機床傳動及結構的概念發生了根本的轉變。數控機床以其優異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創機械產品向機電一體化發展的先河。?? ??? 數控機床是以數字化的信息實現機床控制的機電一體化產品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數字記錄在控制介質上，然后將數字信息送入數控裝置或計算機，經過譯碼，運算，發出各種指令控制機床伺服系統或其它的執行元件，加工出所需的工件。?? 數控機床與普通機床相比，其主要有以下的優點：??

17、1. 適應性強，適合加工單件或小批量的復雜工件；在數控機床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現新工件加工。?? 2. 加工精度高；?? 3. 生產效率高；?? 4. 減輕勞動強度，改善勞動條件；?? 5. 良好的經濟效益；?? 6. 有利于生產管理的現代化。?? 數控機床已成為我國市場需求的主流產品，需求量逐年激增。我國數控機機床近幾年在產業化和產品開發上取得了明顯的進步，特別是在機床的高速化、多軸化、復合化、精密化方面進步很大。但是，國產數控機床與先進國家的同類產品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設的需要。我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素

18、質差，性能落后，單臺機床的平均產值只有先進工業國家的1/10左右，差距太大，急待改造。 一、CA6140數控車床主軸箱結構分析 ????機床主軸箱是一個比較復雜的傳動件.表達主軸箱各傳動件的結構和裝配關系時常用展開圖.展開圖基本上是按各傳動鏈傳遞運動的先后順序,沿軸心線剖開,并展開在一個平面上的裝配圖(如圖1) ： ?1——花鍵套；2——帶輪；3——法蘭；4——箱體；5——鋼球；6——齒輪；7——銷；8、9——螺母； ??10——齒輪；11——滑套；12——元寶銷；13——制動盤；14——制動帶；15——齒條；16——拉桿； ??17——撥叉；18——齒扇；19——圓

19、鍵 1.CA6140型車床主軸箱展開圖如上圖所示 ???該圖是沿軸IV一I一II一III(V)一VI一XI一X的軸線剖切面展開的。展開圖把立體展開在一個平面上，因而其中有些軸之間的距離拉開了。如軸IV畫得III與軸V較遠，因而使原來相互嚙合的齒輪副分開了。讀展開圖時，首先弄清楚傳動關系。 ???1卸荷帶輪電動機經皮帶將運動傳至軸I 左端的帶輪2（見圖1的左上部分）。帶輪2與花鍵套1用螺釘連接成一體，支承在法蘭3內的兩個深溝球軸承上。法蘭3固定在主軸箱體4上，這樣帶輪2可通過花鍵1帶動軸I旋轉，皮帶的拉力則經軸承和法蘭3傳至箱體4。軸I 的花鍵部分只傳遞轉距，從而可避免因皮帶拉力而使軸

20、I產生彎曲變形。這種帶輪是卸荷的（既把徑向載荷卸給體）。 二、CA6140數控車床頭箱結構分析 1.主傳動系統 數控車床主運動要求速度在一定范圍內可調，有足夠的驅動功率，主軸回轉軸心線的位置準確穩定，并有足夠的剛性與抗振性。 如下圖所示為濟南第一機床廠生產的MJ-50型數控車床的傳動系統圖。 ??? 2. 進給傳動系統 數控車床進給傳動系統是用數字控制X、Z坐標軸的直接對象，工件最后的尺寸精度和輪廓精度都直接受進給運動的傳動精度、靈敏度和穩定性的影響。為此，數控車床的進給傳動系統應充分注意減少摩擦力，提高傳動精度和剛度，消除傳動間隙以及減少運動件的慣量等。 為使全功能型數控

21、車床進給傳動系統要求高精度、快速響應、低速大轉矩，采用交、直流伺服進給驅動裝置，通過滾珠絲杠螺母副帶動刀架移動。刀架的快速移動和進給移動為同一條傳動路線。 3．自動回轉刀架 數控車床的刀架是機床的重要組成部分，其結構直接影響機床的切削性能和工作效率?；剞D式刀架上回轉頭各刀座用于安裝或支持各種不同用途的刀具，通過回轉頭的旋轉﹑分度和定位，實現機床的自動換刀?；剞D刀架分度準確，定位可靠，重復定位精度高，轉位速度快，夾緊性好，可以保證數控車床的高精度和高效率。 4．機床尾座 如下圖所示為MJ-50數控車床出廠時配置的標準尾座結構簡圖。 ?從它上面我們可以看出，對CA6140車床的改造的

22、方向。 三、機床進給伺服系統機械部分以及步進電動機的設計和計算 （一）、進給伺服系統機械部分的結構改造設計方案 1.縱向進給機械結構改造方案 拆除原機床的進給像、溜板箱、滑動絲杠、光杠等，裝上步進電機、齒輪減速箱和滾珠絲杠螺母副。為了提高支承剛度，采用向心推力球軸承對加止推軸承支承方式。齒輪間隙采用雙薄片調隙方式。 利用原機床進給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲桿仍安置在原來的位置，兩端仍采用原固定方式。這樣可減少改裝工作量，并由于滾珠絲杠的摩擦系數小于原絲杠，且外徑比原先的大，從而使縱向進給整體剛度只可能增大。 ?? ?縱向進給機構都采用了一級齒輪減速。雙片齒輪間沒有加

23、彈簧自動消除間隙。因為彈簧的彈力很難適應負載的變化情況。當負載大時，彈簧彈力顯小，起不到消除間隙之目的；當負載小時，彈簧彈力又顯大，則加速齒輪的磨損。因此，采用定期人工調整、螺釘緊固的辦法消除間隙。 ?縱向齒輪箱和溜板箱均加外罩，以保持機床原外觀，起到美化機床的效果，在溜板箱上安裝了縱向快速進給和急停按鈕，以適應機床調整時的操作需要和遇到意外情況時的急停處理需要。 2.橫向進給機械結構改造方案 拆除原中拖板絲桿，安裝滾珠絲桿副，為提高橫向進給系統剛度，支承方式采用兩端裝止推軸承。步進電機、齒輪箱安裝于機床后側，為了使減速機構不影響走刀，同時消除傳動過程的沖擊，減速機構采用二級傳動，從動輪

24、采用雙薄片錯位消除間隙。 (二) 、進給伺服機構機械部分的設計計算 1.??? 選擇脈沖當量 根據機床精度要求確定脈沖當量， 縱向： 0.01mm/步，? 橫向：0.005mm/步（半徑） 2.計算切削力 2.1縱車外圓 主切削力FZ（N）按經驗公式估算： FZ=0。67Dmax1。5=0。67*4001。5=5360 ???? ?按切削力各分力比例： ???????????????? FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 ????????????????? F X=5360×0.25=1340 ????????????????? FY=5360×0.4=2144

25、2.2橫切端面 主切削力FˊZ（N）可取縱切的0.5 ?????????? FˊZ=0.5FZ=2680 此時走刀抗力為FˊY（N），吃刀抗力為Fˊx（N）。仍按上述比例粗略計算： ????????????????? FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 ????????????????? FˊY=2680×0.25=670 ????????????????? FˊX=2680×0.4=1072 3.滾珠絲桿螺母副的計算和選型 3.1縱向進給絲桿 3.1.1計算進給牽引力Fm（N） 縱向進給為綜合型導軌 ????????? Fm=KFx+fˊ（Fz+G） ??????

26、???? =1.158×1340+0.16×（5360+800） ?????????? =2530 ? 式中? K—考慮顛復力距影響的實驗系數，綜合導軌取K=1.15； ???? ???fˊ—滑動導軌摩擦系數：0.15—0.18； ??????? G—溜板及刀架重力：G=800N 3.1.2計算最大動負荷C ???????? C=3√LfWFM ???????? L=60×n×t/106 ??????? N=1000×Vs/Lo ? 式中? Lo—滾珠絲桿導程，初選L=6mm； ??????? Vs—最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的（1/2—1/3），此處Vs=0

27、.6m/min ??????? T—使用壽命，按15000h； ??????? fw—運轉系數，按一般運轉取F=1.2—1.5； ??????? L—壽命、以106為一單位。 n=1000Vs/Lo=1000×0.6×0.5/6=50r/min L=60×N×T/106=60×60×15000/106=45 C=3√LfwFm=3√45×1.2×2530=10798.7N 3.1.3滾珠絲桿螺母副的選型 查閱表，可用W1L400b外循環螺紋調整預緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動負載為16400N，精度等級按表4-15選為3級（大致相當老標準E級）。 3.1.4傳動

28、效率計算 η=tgγ/tg(γ+φ) 試中γ—螺旋升角，W1L400bγ=2o44ˊ φ—摩擦角10ˊ滾動摩擦系數0.003--0.004 η=tgγ/tg(γ+φ) ? =tg2o44ˊ/tg(2o44+10ˊ)=0.94 ???? 3.1.5剛度驗算 最大牽引力為2530N。支撐間距L=1500mm螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。 A. 絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1 根據Pm=2530N，D0=40mm，查出ΔL/L=1.2×10-5 可算出： δ1=δL/L×1500=1.2×10-5×1500=1.8×10-2 由于兩端采用向心推力球軸承，且絲

29、桿又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量 δ1(mm)為： ?δˊ1=0.25×10-2??????? B．滾珠與螺紋滾道間接觸變形δq W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量δq? ： δq=6.4μm 因進行了預緊， δ2 =0.5δq =0.5×6.4=3.2μm C．支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形δ3 采用8107型推力球軸承，d1=35mm，滾動體直徑dq=6.34mm，滾動體 數量Z=18，δc=0.0024×3√Fm2/(dq×Z2)? ??? ?????????=0.0024×3√2532/(6.35×182) 注意，此公式中Fm單位為k

30、gf 應施加預緊力，故 δ3=0.5δ=0.5×0.0075=0.0038mm??? 根據以上計算：δ= δ1+δ2+δ3 ??????????????? =0.0045+0.0032+0.0038 ??????????????? =0.0115mm＜定位精度 3.1.6穩定性校核。 滾珠絲桿兩端推力軸承，不會產生產生失穩現象不需作穩定性校核。 3.2橫向進給絲桿 3.2.1計算進給牽引力Fˊm 橫向導軌為燕尾形，計算如下： Fˊm=1.4×Fˊy+fˊ(Fz+2Fˊx+Gˊ) ?? =1.4×670+0.2×(2680+2×1072+600)≈2023N?? 3.2

31、.2計算最大動負荷C ??????? n=1000×V3/L0=1000×0.3×0.5/5=30 ??????? L=60×n×T/106=60×30×15000/106 ??????? C=3√LfwFˊm=3√27×1.2×2030=7283N 3.2.3選擇滾珠絲杠螺母副 從附錄A表3中查出，W1L20051列2.5圈外循環螺紋預緊滾珠絲杠副，額 定動載荷為8800N，可滿足要求，選定精度為3級。 3.2.4傳動效率計算 η=tgγ/tg(γ+φ)=tg4o33ˊ/tg(4o33ˊ+10ˊ)=0.965 ? 3.2.5剛度驗算 橫向進給絲杠支承方式如圖所示，最大牽

32、引力為2425N，支承間距L=450mm，因絲杠長度較短，不需預緊，螺母及軸承預緊。 計算如下： A.絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1(mm) 查圖4-6，根據Fˊm=2032N，D0=20MM，查出δL/L=5×10ˉ5?? 可算出 δ1= δL /L×L=4.2×10‐5? ×450=1.89×10‐2mm 顯然系統應進行預拉伸，以提高剛度 ????? 故? δˊ=0.25δ1=4.7×10—3 B.滾珠與螺紋滾道間接觸變形 查資料（《機床數控改造設計與實例[M]．1版》，）。???????????????? δq=8.5μm 因進行了預緊???? δ2=0.5δq=0.5×8

33、.5=4.25μm C.支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 采用8103型推力球軸承，dq=5 Z=13 d=17mm δc=0.00243√Fm2/(dq×Z2)? ? =0.00243√202.3/5×132=1.3×10ˉ3 考慮到進行了預緊，故 ????????? δ3=0.5 δc=0.5×1.3×10ˉ3=6.5×10–4 綜合以上幾次變形量之和得： δ=δˊ1δ2δ3=4.7×10ˉ3+4.25×10ˉ3/+ ???? =0.0096＜0.015（定位精度 ） 3.2.6穩定性校核 滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產生失穩現象不需作穩定性校核。 4.傳動比計算

34、 4.1縱向進給齒輪箱傳動比計算 已確定縱向進給脈沖當量 δp =0.01，滾珠絲杠導程L0=6mm，初選步進電機步距角0.75?？捎嬎愠鰝鲃颖萯 ??? i=360δp /? θbL 0?? =390×0.01/0.75×6=0.8 可選定齒輪齒數為： ?????????? I??? =Z1/Z2 ???? Z1=32，Z2=40 ，或Z1=20，Z2=25 4.2橫向進給齒輪箱傳動比計算 已確定橫向進給脈沖當量δp =0.005，滾珠絲杠導程L0=5mm，初選步進電機步距角0.75o?？捎嬎愠鰝鲃颖萯 ????????? I=360δp /? θbL 0=360×0.005

35、/0.75×5=0.48 考慮到結構上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處可采用兩級齒輪降速： i=Z1Z2/Z3Z4=3×4/5×5=24×20/40×25 Z1=24，Z2=40，Z3=20，Z4=25 因進給運動齒輪受力不大，模數m取2。有關參數參照下表： ? 齒數 　 32 40 24 40 20 25 分度圓 d=mz 64 80 48 80 40 50 齒頂數 da=d+2m 68 84 52 84 44 54 齒根數 df=d-21.25m 59 75 43 75 35 45

36、齒寬 (6--8)m 20 20 20 20 20 20 中心距 A=(d1+d2)/2 72 64 45 ? 5.步進電機的計算和選型 5.1縱向進給步進電機計算 5.1.1等效傳動慣量計算 方法計算如下，傳動系統折算到電機軸上的總傳動慣量JΣ(kg?cm2)可有下式計算： JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)2〕 式中：Jm—步進電機轉子轉動慣量(kg?cm2) J1，J2—齒輪Z1、Z2的轉動慣量(kg?cm2) Js—滾珠絲杠傳動慣量(kg?cm2) 參考同類型機床，初選反應式步進電機150BF，其轉子轉動

37、慣量Jm=10(kg?cm2) J1=0.78×103×d14·L1=0.78×103×6.42×2=2.6 kg?cm2 J2=0.78×103×d24·L2=0.78×103×82×2=6.39 kg?cm2 Js=0.78×103×44×150=29.952 kg?cm2 G=800N ? 代入上式： ?JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)2〕 ?? =10+2.62+(32/40)2〔(6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2π)2〕 =36.355 kg?cm2 考慮步進電機與傳動系統慣量匹配問題。 Jm

38、/JΣ=10/36.355=0.275 基本滿足慣量匹配的要求。 性和運行矩頻特性。 5.1.3計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 Fk=1000Vmax/60δp =1000×2.4/60×0.01=4000Hz Fe=1000Vs/60δp =1000×0.6/60×0.01=1000Hz 從表中查出150BF002型步進電機允許的最高空載起動頻率為2800Hz運行頻率為8000Hz,再從有關手冊中查出150BF002型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線。當步進電機起動時，f起=2500時，M=100N·cm,遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（782N·cm）

39、直接使用則會產生失步現象，所以必須采用升降速控制（用軟件實現），將起動頻率降到1000Hz時，起動力矩可增加到5884N·cm，然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。 當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻特性完全可以滿足要求。 5.1.2電機力矩計算 機床在不同的工況下，其所需轉距不同，下面分別按各階段計算： A.快速空載啟動力矩M起 在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下： ????????? M起=Mamax+Mf+Ma ????????? Mamax=JΣ·ε= JΣnnax×102/(60×ta/

40、2π) ???????????? = JΣ×2π·nmax×102/(60×ta) nmax=νmax·θb/δp·360 將前面數據代入，式中各符號意義同前。 ?nmax=νmax·θb/δp·360=2400×0.75÷(0.01×360)=500r/min ?? 啟動加速時間ta=30ms ???????? Mamax=JΣ×2π·nmax×102/(60×ta) =36.355×2π×500×102/(60×0.03) =634.5N·cm ?? 折算到電機軸上的摩擦力距Mf： ???????? Mf=FOL0/2πηi=f1(Pz+G)×L0/(2πηZ2/

41、Z1) ?????? ???=0.16×(5360+800)×0.6/(2π×0.8×1.25)=94N·cm ?? 附加摩擦力距M0 ?MO=FPOL0(1-η02)/2πηi=1/3×Ft×L0(1-η02)/(2πηZ2/Z1) ? =1/3×2530×0.6×(1-0.92)/( 2π×0.8×1.25) ? =805.3×0.19=15.3N·cm 上述三項合計： ?M起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8N·cm B．快速移動時所需力矩M快。 M快=Mf+M0=94+15.3=109.3N·cm C．快速切削負載時所需力矩 M切 M

42、切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2πηi ?=94+15.3+1340×0.6/(2π×0.8×1.25) ?=94+15.3+127.96 =237.26N·cm ?? 從上面計算可以看出，M起、M快和M切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據。 從有關手冊[《[機床數控改造設計與實例[M]》]查出，當步進電機為五相十拍時? λ=Mq/Mjmax=0.951 最大靜力矩Mjmax=743.8/0.951=782N·cm 按此最大靜力矩從有關手冊中查出，150BF002型最大靜轉矩為13.72N·m。大于所需最大靜轉矩，可作為初選型號，

43、但還需進一步考核步進電機起動矩頻特5.2.3計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 Fk=1000Vmax/60δp =1000×2.4/60×0.01=4000Hz Fe=1000Vs/60δp =1000×0.6/60×0.01=1000Hz 由110BF003型步進電機的技術參數可知其最高空載起動頻率為1500Hz，運行頻率為7000Hz。根據110BF003型電機的起動距頻特性和運行矩頻特性曲線可以看出，當步進電機起動時F=1500Hz，M=98N·cm，小于機床所需的起動力矩（184.4N·cm），直接使用會產生失步現象，所以必須采用升降速控制（用軟件實現）。將起動頻率將為

44、1000Hz時，既可滿足要求。當機床快速起動和切削進求。進給時，則完全滿足運行矩頻要 四、同步帶傳動設計 1．同步齒形帶的選擇和校核 ?? 在車床改造時中，步進電動機與四缸傳動副之間裝有減速機構，通過減速機構可得到所需的脈沖當量和增大的驅動力矩。減速機構采用同步齒形帶傳動機構，同步齒形帶傳動相對齒輪傳動是一種新型的帶傳動，其利用同步帶的齒型與帶輪的輪齒傳遞運動，無相對滑動，無噪聲，無需潤滑，傳動精度和效率高，同步帶傳動的帶速高達40~80m/s.傳遞功率可達100KW，傳動比可達10~20，傳動效率98%。因此在這次數控改造中我們采用同步齒形帶來傳遞運動。 （1）模數 根據表1.

45、12 ??? m=4 （2）齒數 ???? 查表1.3選 ??? （3）帶輪節圓直徑為： ? （4）帶速為： ??????????? ?（5）中心距為： ?????????? 則210〈a<600取a=500 ? （6）帶長為： ??????????? ?? （7）小帶輪嚙合齒數： ??????????? ???則 （8）帶寬 ??????? ? ? ???????????? ??1.21同步帶模數的選擇參考《機械設計》教材 ????????????????? ?1.22同步帶傳動工作情況系數 載荷性質 一天運轉時間/h <10 ? 10～16 >

46、16 載荷平穩 1 1.1 1.2 載荷變動小 1.2 1.4 1.6 載荷變動大 1.4 1.7 2 ????????????? 1.23小帶輪最小齒數 小帶輪轉速n1(r/min) 模數m/mm ? ? ? ? ? ? ? 1.5 2 2.5,3 4 5 7 10 <1000 12 14 16 18 20 22 24 1000～3000 14 16 18 20 22 24 26 >3000 16 18 20 22 24 ? ? ? ?????????????? 1.24傳動比系數

47、k1 n1/n2 ≥1/1.25 <1/1.25～1/1.7 <1/1.7～1/2.5 <1/2.5～1/3.5 <1/3.5 k1 1 0.95 0.9 0.85 0.8 ? ??????????????? 1.25聚氨酯同步帶（強力層為鋼絲繩）的質量和許用拉力 模數m/mm 1.5 2 2.5 3 4 5 單位寬度每米長度的質量 18 24 30 35 48 60 單位寬度的許用拉力 4 6 8 10 15 25 ? ???????????????? 1.26同步帶的齒數、長度和寬度 ? 齒數????????? z

48、 模數m ? ? ? ? ? ? 1.5 2 2.5 3 4 5 ? 名義長度L ? ? ? ? ? 35 164.9 219.2 274.9 329.9 ? ? 40 188.5 251.3 314.2 377 502.7 628.3 50 235.6 314.2 392.7 471.2 628.3 785.4 60 282.7 377 471.2 565.5 754 942.5 70 329.9 439.8 549.8 659.7 879.7 1099.6 80 377 50

49、2.7 628.3 754 1005.3 1256.6 90 424.1 565.5 706.9 848.2 1131 1413.7 100 471.2 628.3 784.4 942.5 1256.6 1570.8 寬度b 8～32 10～15 12～60 12～60 16～80 20～80 ? 寬度系列 8、10、12、16、20、25、32、40、50、60、80 五、軸組件的設計 主軸在改造過程中還可以選用原來的主軸，因為主軸在精度、力學性能和經濟性上都能滿足改造后的要求。軸的支撐軸頸、配合軸頸是軸類零件

50、的主要表面，它影響軸的旋轉精度與工作狀態。CA6140車床主軸支撐軸頸和配合軸頸的尺寸精度通常為IT6~9級公差，特別精密的軸頸為IT5級，甚至更高。在力學性能上由于主軸在工作時，應力集中在主軸心部，而CA6140數控車床主軸采用空心形狀大大減小了應力的集中，使軸的剛度有很大提高。 主軸支撐是主軸組件的重要組成部分，主軸支撐是指主軸軸承、支撐座及其相關零件的組合體，其中核心元件是軸承。滾動軸承的主要優點是適應轉速和載荷變動的范圍大；能在零間隙或負間隙條件下穩定運轉，具有教高的旋轉精度和剛度；軸承潤滑容易，維修、供應方便，摩擦因數小等。 主軸懸伸量的確定。主軸懸伸量a是指主軸前支撐徑向支反力

51、的作用點到主軸前端面之間的距離，它對主軸組件剛度影響較大。根據分析和試驗，縮短伸量可以顯著提高主軸組件的剛度和抗振性。因此，設計時在滿足結構要求的前提下，盡量縮短懸伸量a。 前軸徑D1＝115mm?? 后軸徑D2＝80mm 根據結構定懸伸長a=115mm (1) 求軸承剛度 ?主軸最大輸出轉矩 Mn=9550 =1260.6N m 床身上最大加工直徑約為最大回轉直徑60％即：240mm 故半徑為0.12m FZ= =10505N Fy=0.5 FZ=5252.5N 故總切削力為F＝ ＝11745N 先暫取初值為：=2.5即暫取L0的初值為2.5×115＝287mm 前后

52、支撐支反力PA和PB分別為： PA＝F=11745 N Pb=F =11754 N 取前后支撐剛度為KA＝1530N／ m ????????????????? KB=1030 N／ m (2) 求懸體跨距 ==1.495 初算時可假設主軸當量外徑D為前后軸頸的平均值，即： ???? D ＝ （115+80）／2＝ 98mm 故慣性矩為： I ＝ 0.005（0.0984-0.0484）＝581 10-8? m4 則? 查圖得 ??????? /a值與原假設值相近，符合要求。 六、數控系統驅動的電路設計 1.電路的基本組成 ?????????? 任何一個數控系統都

53、由硬件和軟件兩部分組成。硬件組成系統的基礎，其性能的好壞，直接影響到系統的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行，是可工作的控制系統。 機床數控系統的硬件電路概括起來由以下四部分組成。 （1）中央處理器CPU。 （2）總線，包括數據總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。 （3）存儲器，包括只讀可編存儲器和隨機讀寫存儲器。 （4）I/O輸入、輸出接口電路。 其中CPU是數控系統的核心，是控制其它各部分協調工作的“大腦”，其作用是進行數據運算處理和控制各部分電路協調工作。存儲器用于存放系統軟件、應用程序（監控程序）和運行中所需的各種數據。I/O接口是系統與外界進行信息交換的

54、橋梁。三總線則是CPU與存儲器、接口以及其它轉換電路聯接的紐帶，是CPU與外界進行信息交換和通訊的必由之路。數控系統硬件框圖如下所示。 根據總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路基本組成如下圖 所示： ? ? ? RAM ROM CPU I/O 接口 光電隔離 功率放大器 步進電機 外設????? 鍵盤、顯示器 及其它 ? ?????????????????????????? 　　1、系統的構成及工作原理 　　該系統是由PC機和自行開發的數控控制板兩級控制組成，其組成如圖2所示。主要功能部件有： ? 　

55、?。?）PC機。選用市面上任何一種機型，在PC平臺上可以開發出具有良好開放數控系統，從而增強經濟型數控改造的整體效果。 　　（2）數控控制板?？紤]到經濟型數控改造的特點，數控板采用一塊以8031單片機為核心的數控控制板。它主要成實EI性任務，如機床狀態檢測、緊急情況處理、細插補運算、脈沖分配等。PC機利用標準并行打印口與8031進行通信，將預處理后的數控加工信息通過數控控制板完成對機床的控這種結構省去了打開機箱的麻煩，方便安裝和維護。為提靠性和處理速度，采用硬件環形分配器產生脈沖控機的運轉。為增強系統的抗干擾能力，輸入輸出信號要經電隔離。 　　（3）機床本體。為滿足數控加工的要求，

56、對原機床機械的改造主要有：①進給系統。拆除原機床進給箱、溜板箱內的零部件及光杠、滑動絲杠、掛輪?？v、橫向以步進電機作為驅動元件，經一級齒輪減速后由滾珠絲杠傳動。原橫向手動機構仍保留，以方便機床的手動調整。②主變速系統。保持原機床的主舳手動變速，數控系統僅控制主軸電機的起、停和正、反轉。為實現螺紋加工功能，往機床主軸末端安裝脈沖發生器作為主軸位信號的反鎖元件。③刀架部分，原機床手動轉位刀架保留不變。 （4）驅動電路。采用離低壓驅動方式。 2、接口硬件設計 PC機的標準并行打印口是一個具有25個引腳，3個端址的控制接口。本系統只需把PC機插補后的數據快速的下傳，而上傳的只是機床的少量

57、狀態信息，機床的動作主要由8031來控制完成。這種情況很適合打印機接口的通信特點。利用打印機接口在和數控控制板之間通信，不需增加額外硬件，只要把并行打的3個端口根據數控加工的需要重新定義即可利用，尤其適于經濟型數控改造。 ? 二、控制系統的功能 ?( 一 )CPU和存儲器 1、CPU采用8031芯片 ?? ?8031芯片內部具有128字節數據存儲器RAM，地址為佳00H—7FH，用作工作寄存器。堆棧，軟件標志和數據緩沖器，CPU對內部RAM有較為有效的操作指令。另加有128字節的特殊功能寄存器，地址為80H---7FH。是用于對片內各功能模塊進行管理，控制，監視等。8031芯片內部雖

58、然沒有程序存儲器，只有128字節ROM，在組成該系統時RAM不夠用?，F外接一片6264芯片來擴展8031的RAM存儲器。8031是一個無ROM的CPU。單片機的8031不能滿足設計要求，不能夠成完整的計算機。外接兩片2764，一片作為系統存儲器，一片作為加工程序存儲器。8031的輸入、輸出（I/O）口線不多，不能滿足設計要求，現外接兩片8155芯片以擴展I/O口。 8031芯片的P0和P2接口用來傳送外部存儲器的地址和數據。P0口傳送高8位地址，P2口傳送低8位地址和數據，故要采用74LS373地址鎖存器，鎖存底8位。ALE作為選通信號，當ALE為高電平，鎖存器的輸入和輸出`透明，既輸入的低

59、8位存儲器地址在輸出端出現。此時不需鎖存。當ALE從高電平變為低電平，出現下降沿時，低8位地址存入地址鎖存器重中，74LS373的輸出不再隨輸入變化，即地質被鎖存。這樣P0口就可以傳送讀寫的樹據。 8031芯片的P2口和74LS373送出的P2口共同組成它的地址，2764和6264芯片都是8kb，需要13根地址線。A0—A7低8接74LS373芯片的輸出，A8—A12接8031芯片的P2.0—P2.4,系統采用全地譯碼，兩片2764芯片片選信號CE分別接74LS138譯碼器的Y0和Y1，系統復位以后從0000H開始執行。6264芯片的片選信號CE接74LS132的Y2。單片機擴展系統允許程序

60、存儲器和數據存儲器獨立編址（即地址重疊）。在本次設計并沒有地址重疊。8051芯片的控制信號PSEN接2764的OE引腳，作為外部程序存儲器的選通信號。讀寫控制信號WR和RD分部接6264芯片的WE和OE。以實現對外部數據存儲器的讀寫。由于8031芯片內部無ROM，故要選外部程序存儲器，且其EA必須接地。 2、采用I/O接口電路 ?(二)隔離電路和功率放大電路 在步進電機驅動電路中，脈沖信號經功率放大電路后控制步進電機勵磁繞組。由于步進電機需要的驅動電壓較高，電流較大（幾安到幾十安），如果將輸出信號與功率放大器直接相聯，將會起強電干擾。輕則影響計算機程序的正常工作，重則導至計算機和接口電路

61、損壞。所以一般在接口電路與功率放大電路之間接上隔離電路，采用的光電隔離電路。 功率放大電路分為單電源和雙電源型。單電源型線路簡單，效率不高，所以選雙電源型。雙電源型采用高低壓供電電路。 在功率放大器導通初始，T1、T3、T4均導通，并使脈沖變壓器B的副邊產生一定寬度的脈沖電流，使T2導通。高壓電源EH通告T2、T1為步進電機某一相繞組供電，使其電流上升沿變逗。經過T0時間后脈沖電流消失，使T2截止，高電壓電源與繞組之間被切斷，EN通過D2、T1為繞組WA供電，提供所需的額定電流。通過調節脈沖變壓器的磁芯和R4可改變高壓供電的時間寬度Tb。 ??? 七、 潤滑系統的改造 對其改造重點是

62、對其潤滑方式的改造，這次改造采用油氣潤滑方式，油氣潤滑方式不同于油霧潤滑方式，油氣潤滑是用壓縮空氣把小油滴送進軸承空隙中，油量大小可達最佳值。壓縮空氣有散熱作用，潤滑油可回收，不污染周圍空氣。根據軸承供油量的要求，定時器的循環時間可從1~99min定時,兩位兩通氣閥每定時開通一次,壓縮空氣進入注油器,把少量油帶入混合市,經節流閥的壓縮空氣,經混合室把油帶入塑料管道內,油液沿管道壁被風吹入軸承內,此時形成小油滴狀，易于軸承充分潤滑。 課程設計體會 本課題以C6140車床的數控改造為例。通過對此型號車床的研究開發，隨著科學技術水平和人類生活水平的提高，對機械產品的質量要求越來越高，產品品種越來

63、越多，中大批量的產品需求越來越少，而單件小批量生產模式迅速增加，作為實現單件小批量加工自動化的數控機床，由于其突出的優點而得到廣泛應用： (1)可以加工出傳統機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。這是由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸應該運動的運動量，這就可以加工復雜的曲線和曲面。 (2)可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，效率可比傳統機床提高3到7倍。計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規定的順序自動去執行實現自動化。傳統機床可以靠凸輪或擋塊等實現自動化，但凸輪制造及調整很費時，只有進行大批量生產時，才經濟合理，稱之為剛性自動化

64、。而數控機床只要更換一個程序就可實現另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，這是過去所不敢做到的重大突破，稱之為實現了“柔性自動化”。 (3)加工的零件精度高，尺寸分散度小，裝配容易，不再需要”修配”。這是由于加工過程自動化，不受人的情緒和疲勞影響的結果。計算機還可以自動進行刀具壽命管理，不會因刀具磨損而影響工件精度和其一致性。最近，數控系統中增加了機床誤差、加工誤差修正補償的功能，使加工精度得到進一步提高。 (4)可實現多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。這是自動化帶來的效果(可以自動更換刀具)，如加工中心，在工件裝夾好后，可實現鉆、銑、攻絲、擴孔等多工序的加工。這些

65、多工序是在同一基面、同一次裝夾下實現的，提高了相關的加工精度。現已出現其他工序集中的機床，如車削中心、車銑中心、磨削中心等。 (5)擁有自動報警、自動監控、自動補償等多種自律功能，因而可實現長時間無人看管加工。這是在配備多種傳感器條件下，計算機威力的體現。可以實現白班有人看管并做好充分準備工作，使得二班、三班在無人條件下自動加工。由此帶來的勞動生產率的提高和生產周期的縮短等是非常明顯的。 (6)數控加工降低了工人的勞動程度，節省了勞動力(一個人可以看管多臺機床)，減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，并可對市場需求做出快速反應。以上這些優越性，是前人做不到的，是一個極為重大的突破。此

66、外，機床數控化還是推行FMC(柔性制造單元)、FMS(柔性制造系統)以及C1MS(計算機集成制造系統)等企業信息化改造的基礎。 通過課程設計，使我對機床數控系統這門課程進一步加深了理解。對于各方面知識之間的相互聯系有了實際的體會。同時也深深感到自己初步掌握的知識與實際需要還有相當距離，還需在今后進一步學習和實踐。 致謝： 這次畢業設計是我們大學三年后的一次作業，同時也是對我們三年來學習的一個總結。通過過此次設計我們能鞏固我們所學的專業知識，也能鍛煉我們的創新能力，對于快走上工作崗位的我們，是一筆不容忽視的財富。 這次畢業設計能夠順利進行得到我的老師、同學和朋友們給予我的幫助，至此我表示真誠的感謝。 首先我要感謝我的指導老師，在整個畢業設計過程中，一直抱著一種對我們高度負責的態度，于百忙當中抽出時間，多次來到教室對我們進行指導。對于我們設計當中的問題，魚花老師更是對我們悉心分析，給我們提了很多寶貴的建議。這充分體現了他作為教師對于工作的一種認真負責的態度，對于以后踏進社會，走入工作崗位的我們提供了借鑒。。在此，我深深地道一聲，老師您辛苦了！我由衷地感謝您。 另外，我