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CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 題目 CA6140 普通車床設(shè)計(jì) 二級學(xué)院 直屬學(xué)部 專業(yè) 班級 學(xué)生姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師姓名 職稱 評閱教師姓名 職稱 2014 年 11 月 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 近 20 年來 我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床走過了引進(jìn)技術(shù) 消化吸收和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的 歷程 目前 數(shù)控機(jī)床己經(jīng)成為機(jī)床行業(yè)的新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn) 發(fā)展迅速 正方興未艾 應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對 CA6140 普通車床進(jìn)行自動(dòng)化和精密化的改裝 改裝技術(shù)主要為 在車床上附加數(shù)控裝置和執(zhí)行元件 選擇合適的機(jī)床伺服系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等 結(jié)果表 明 經(jīng)改造后的機(jī)床完全能實(shí)現(xiàn)加工外圓 錐度 螺紋 端面等的自動(dòng)控制 提高了原 機(jī)床的生產(chǎn)效率 降低了勞動(dòng)強(qiáng)度采用數(shù)控技術(shù)改造的有效途徑 術(shù)對企業(yè)原有機(jī)床進(jìn) 行改造 即發(fā)展經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前工礦企業(yè)的成功之路 關(guān)鍵詞 CA6140 車床 數(shù)控技術(shù) 技術(shù)改造 CA6140 普通車床設(shè)計(jì) 目 錄 1 緒論 1 1 1 引言 1 1 2 機(jī)床數(shù)控改造的目的 2 1 3 數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展 2 1 3 1 數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展 2 1 3 2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 2 1 4 數(shù)控改造的必要性 3 1 5 數(shù)控機(jī)床改造的優(yōu)點(diǎn) 4 1 6 數(shù)控機(jī)床改造的設(shè)計(jì)步驟 4 1 7 CA6140 的數(shù)控改造 5 1 7 1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 5 1 7 2 CPU 和存儲(chǔ)器 6 1 7 3 I O 接口電路 7 1 7 4 其它部件的選擇 7 2 數(shù)據(jù)參數(shù)的選擇及其計(jì)算 9 2 1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)得設(shè)計(jì)計(jì)算 裝配圖 2 9 2 1 1 選擇脈沖當(dāng)量 9 2 1 2 計(jì)算切削力 9 2 1 3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 10 2 1 4 齒輪及轉(zhuǎn)距的有關(guān)計(jì)算 11 2 2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 13 2 2 1 切削力計(jì)算 14 2 2 2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 14 2 2 3 齒輪及設(shè)計(jì)的有關(guān)計(jì)算 15 2 2 3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 16 2 3 自動(dòng)刀架的設(shè)計(jì) 18 2 3 1 刀架的抬起 18 2 3 2 刀架的回轉(zhuǎn)和選位 19 2 3 2 刀架的下降定位和壓緊 19 2 3 3 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 20 2 3 3 蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 23 2 3 4 螺旋升降裝置得設(shè)計(jì)計(jì)算 26 致 謝 31 參考文獻(xiàn) 32 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 1 1 引言 提高數(shù)控車床的可靠性已成為當(dāng)前數(shù)控車床制造企業(yè)自身生存和發(fā)展的關(guān)鍵 在 市場競爭日趨激烈的情況下 只有那些可靠性高的數(shù)控車床才能受到用戶的青睞 數(shù)控 車床是否可靠成為廣大用戶選購數(shù)控車床的重要標(biāo)準(zhǔn) 我國數(shù)控機(jī)床近年來在生產(chǎn)和 應(yīng)用領(lǐng)域都有較快的發(fā)展 但與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比 仍存在較大差距 數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制 造技術(shù)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一 我國數(shù)控技術(shù)的研究應(yīng)用水平還很低 嚴(yán)重制約著我國制 造水平的提高 發(fā)展民族數(shù)控事業(yè)是迫在眉睫的大事 隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展 機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高 產(chǎn)品的 更新?lián)Q代也不斷加速 因此對機(jī)床不僅要求具有較高的精度和生產(chǎn)率 而且應(yīng)能迅速 地適應(yīng)產(chǎn)品零件的變換 生產(chǎn)的需要促使了數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 隨著電子技術(shù) 特別是 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 數(shù)控機(jī)床迅速的發(fā)展起來 從第一臺數(shù)控機(jī)床 1952 年 美國 問世至今 機(jī)床的數(shù)控化率在不斷的提高 世 界各工業(yè)國家已普遍生產(chǎn)和應(yīng)用 日本生產(chǎn)機(jī)床的數(shù)控化率在 1988 年就已達(dá)到 70 我國從開放搞活以來 加快了數(shù)控機(jī)床技術(shù)的引進(jìn) 促使我國的機(jī)床數(shù)控技術(shù)的 普及和發(fā)展 當(dāng)前普遍應(yīng)用的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床 它綜合了電子技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 自動(dòng)化技術(shù) 測量技術(shù)和機(jī)械制造等方面的最新成果 是一種靈活高效的自動(dòng)化機(jī)床 是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品之一 各大企業(yè)不斷設(shè)置數(shù)控機(jī)床擴(kuò)大再生產(chǎn)和替換陳舊設(shè) 備 數(shù)控機(jī)床的普及率不斷提高 這種情況下 普通機(jī)床的數(shù)控改造是否必要可從以 下幾點(diǎn)說明 數(shù)控機(jī)床可以較好地解決形狀復(fù)雜 精密 小批多變零件的加工問題 能夠 穩(wěn)定的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率 但是應(yīng)用數(shù)控機(jī)床還是受到其他條件的限制 數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴 一次性投資巨大 對中小企業(yè)常是力不從心 目前各企業(yè)都有大量的普通機(jī)床 完全用數(shù)控機(jī)床替換根本不可能 而且 替代的機(jī)床閑置起來又造成浪費(fèi) 國內(nèi)訂購新數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長 往往不能滿足生產(chǎn)需要 通過數(shù)控機(jī)床對具體生產(chǎn)有多余功能 要較好地解決上述問題 應(yīng)走普通車床數(shù)控改造之路 從一些工業(yè)化國的經(jīng)驗(yàn)者 機(jī)床的數(shù)控改造也必不可少 數(shù)控改造機(jī)床占有較大比例 如 日本的大企業(yè)中有近 30 的機(jī)床經(jīng)過數(shù)控改造 中小企業(yè)則是 70 以上 在美國有許多數(shù)控專業(yè)化公司為世 界各地提供機(jī)床數(shù)控改造服務(wù) 我國作為機(jī)床大國 為了提高機(jī)床的數(shù)控化率對普通機(jī) 床進(jìn)行數(shù)控改造不失為一種良策 一些發(fā)達(dá)國家如德國 美國 日本等就非常重視對 舊機(jī)床的改造 而且已形成了一個(gè)完善的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的改造體系 由于技術(shù)的不斷 進(jìn)步 機(jī)床改造已成為一個(gè)永恒的課題 我國應(yīng)在這方面加大宣傳力度 走出一條 適合我國國情的機(jī)床的數(shù)控改造之路 機(jī)床數(shù)控改造節(jié)省資金 同購置新機(jī)床相比一 般可節(jié)省 60 80 的費(fèi)用 大型及特殊設(shè)備尤為明顯 一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī) 床購置費(fèi)的 1 3 即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級 也只需花費(fèi)購買新機(jī)床 60 的費(fèi)用 并可以利用現(xiàn)有地基 性能穩(wěn)定可靠 因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時(shí) CA6140 普通車床設(shè)計(jì) 2 效 幾乎不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度 機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后 即可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化 效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3 7 倍 對復(fù)雜零件而言 難度越高 功效提高得越多 且 可以不用或少用工裝 不僅節(jié)約了費(fèi)用 而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期 因此 普通機(jī) 床的數(shù)控不但存在的必要 而且大有可為 尤其對一些中小企業(yè)更是如此 1 2 機(jī)床數(shù)控改造的目的 設(shè)備是企業(yè)發(fā)展生產(chǎn)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)經(jīng)營目標(biāo)的物質(zhì)基礎(chǔ) 設(shè)備的技術(shù)性能 和技術(shù)狀態(tài)不但直接影響產(chǎn)品質(zhì)量 還關(guān)系工時(shí) 材料和能源的有效利用 同時(shí) 對企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響 設(shè)備的技術(shù)改造和更新直接影響企業(yè)的技術(shù)進(jìn) 步 產(chǎn)品開發(fā)和市場開拓 因此 從企業(yè)產(chǎn)品更新替代 發(fā)展品種 提高質(zhì)量 降低 能耗 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)際出發(fā) 進(jìn)行充分的技術(shù)分析 有針對性的用 新技術(shù)改造和更新現(xiàn)有設(shè)備 是提高企業(yè)素質(zhì)和市場競爭力的一種有效方法 據(jù)全國工業(yè)普查的統(tǒng)計(jì)資料介紹 截止到 2000 年底 數(shù)量較多涉及面較寬的金屬 加工機(jī)床的擁有量約為 384 萬臺 其中役齡在 6 15 年約為 153 2 萬臺 約占 39 9 役齡在 16a 以上約為 133 7 萬臺 約占 34 8 這表明我國工業(yè)制造業(yè)的裝備 乃至各行各業(yè)的設(shè)備仍有相當(dāng)大數(shù)量比較落后 有待改造或更新 鑒于此 采用數(shù)控 技術(shù)對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造 尤其適合我國機(jī)床擁有量大 生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情 1 3 數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展 1 3 1 數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展 第二次世界大戰(zhàn)后 美國為革新飛機(jī)制造業(yè)中用于仿形機(jī)床的靠模和樣件的加工 設(shè)備 開始研制新型機(jī)床 1952 年 美國帕森斯公司 Parsons Co 與麻省理工學(xué)院 伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室 Serve Mechanics Laboratory of TheMassachusetts Institute of Technology 合作 研制成功第一代數(shù)控系統(tǒng) 用于三坐標(biāo)立式銑床 其插補(bǔ)裝置采用 脈沖乘法器 整個(gè)控制裝置由真空管組成 1959 年 晶體管元件問世 數(shù)控系統(tǒng)中廣 泛采用晶體管和印制板電路 從此數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入第二代 1965 年 出現(xiàn)了小規(guī)模集成 電路 由于其體積較小 功耗低 抗干擾能力較強(qiáng) 使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得到進(jìn)一步 提高 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代 上述三代數(shù)控系統(tǒng)均為硬接線數(shù)控系統(tǒng) 稱為普通數(shù) 控系統(tǒng) NC o 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 出現(xiàn)了以小型計(jì)算機(jī)替代專用硬接線裝置 以控制軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) CNC 使數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入第四代 1970 年前后 美國英特爾 Intel 公司首先開發(fā)和使用了四位微處理器 1974 年美 日等 國首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng) 由于中 大規(guī)模集成電路的集成度和可 靠性高 價(jià)格低廉 所以微處理器數(shù)控系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用 這就是微機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 從而使數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入了第五代 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)為了進(jìn)一步擴(kuò)展功能 增強(qiáng)實(shí)時(shí)控制能 力和可靠性 常采用多微處理器結(jié)構(gòu) 如 SIEMENS 公司的 SINUMERIK 840D 和日本 FANUC 公司 FANUC of 系列等 由多個(gè)微處理器構(gòu)成功能模塊 各功能模塊之間的互 連與通信 或采用共享總線結(jié)構(gòu) 或采用共享存貯器結(jié)構(gòu) 1 3 2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1 向高速度 高精度發(fā)展 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 現(xiàn)代機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)多采用 32 位 CPU 和多 CPU 并行技術(shù) 使運(yùn)算速度得了很大的 提高 與高性能數(shù)控系統(tǒng)相配合 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用了交流數(shù)字伺服系統(tǒng) 伺服電機(jī) 的位置 速度和電流環(huán)都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化 數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)多達(dá) 9 個(gè) 使機(jī)床可以 加工較復(fù)雜的空間線型或型面 2 可靠性的提高 由于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的模塊化 通用化和標(biāo)準(zhǔn)化 便于組織批量生產(chǎn) 故可保證產(chǎn) 品質(zhì)量 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)大量采用大規(guī)模集成電路 采用專用芯片及混合式集成電路 提高了集成度 減少了元器件數(shù)量 提高了可靠性 3 采用自動(dòng)程序編制技術(shù) 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)利用其自身很強(qiáng)的存貯及運(yùn)算能力 如 SINUMERIK 840DCPU 采 用 Pent iumIII 處理器 把很多自動(dòng)編程功能植入數(shù)控系統(tǒng) 在一些新型的數(shù)控系統(tǒng)中 還裝入了小型工藝數(shù)據(jù)庫 使得數(shù)控系統(tǒng)不僅具有在線零件程序編制功能 而且可以 在零件程序編制過程中 根據(jù)機(jī)床性能 工件材料及零件加工要求 自動(dòng)選擇最佳刀 具及切削用量 4 具有更高的通信功能 為了適應(yīng)自動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展 適應(yīng)工廠自動(dòng)化的規(guī)模越來越大的要求 為了 滿足不同廠家不同類型數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)需要 現(xiàn)代機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的通信功能不斷加強(qiáng) 不少系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程診斷功能和 Ethernet interface 接口 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊功能 美國通用汽 車公司在 1983 年提出的制造自動(dòng)化協(xié)議 MAP Manufacture Automation Protocol 是眾多通信標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)展最快的一個(gè) MAP 的主要特點(diǎn)是提供以開放性為基礎(chǔ)的局部網(wǎng) 絡(luò) 使來自許多廠房的設(shè)備可以通過相同的通信協(xié)議而相互連接 由于 MAP 的出現(xiàn) 推動(dòng)了通信標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程 1 4 數(shù)控改造的必要性 數(shù)控機(jī)床可以較好地解決形狀復(fù)雜 精密 小批及多變零件的加工問題 能夠穩(wěn) 定加工和提高生產(chǎn)率 但是數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用也受到其他條件的限制 1 數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴 一次性投資巨大 對中小企業(yè)常是心有余而力不足 2 目前 個(gè)企業(yè)都是大量的普通機(jī)床 完全用數(shù)控機(jī)床替換根本不可能 而且替 代下的機(jī)床閑置起來有會(huì)造成浪費(fèi) 3 在國內(nèi) 訂購新數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長 往往不能滿足生產(chǎn)急需 4 通用數(shù)控機(jī)床對具體生產(chǎn)有多余功能 要較好地解決上述問題 應(yīng)走普通車床數(shù)控改造之路 在國外已發(fā)展成為一個(gè)新 興的工業(yè)部門 早在 60 年代已經(jīng)開始迅速發(fā)展 并有專門企業(yè)經(jīng)營這們業(yè)務(wù) 從美國 日本等工業(yè)化國家的經(jīng)驗(yàn)看 機(jī)床的數(shù)控改造也必不可少 數(shù)控改造機(jī)床占有較大比 例 如日本的大企業(yè)中有 26 的機(jī)床經(jīng)過數(shù)控改造 中小企業(yè)則是 74 在美國有許 多數(shù)控專業(yè)化公司為世界各地提供數(shù)控改造業(yè)務(wù) 我國是擁有 300 萬臺機(jī)床的國家 而這些機(jī)床又大量是多年累計(jì)生產(chǎn)的通用機(jī)床 自動(dòng)化程度低 要想在近幾年內(nèi)用自 動(dòng)化和精密設(shè)備更新現(xiàn)有機(jī)床 不論是資金還是我國機(jī)床制造廠的能力都是辦不到的 CA6140 普通車床設(shè)計(jì) 4 因此 普通機(jī)床的數(shù)控改造 大有可為 它適合我國的經(jīng)濟(jì)水平 教育水平和生產(chǎn)水 平 已成為我國設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一 1 5 數(shù)控機(jī)床改造的優(yōu)點(diǎn) 數(shù)控機(jī)床改造一般是指對普通機(jī)床某些部位做一定的改造 配上數(shù)控裝置 從而 使機(jī)床具有數(shù)控加工能力 其改造的優(yōu)點(diǎn)有 1 從提高資本效率出發(fā) 改造閑置設(shè)備 能發(fā)揮機(jī)床的原有功能和改造后的新增 功能 提高機(jī)床的使用價(jià)值 2 適應(yīng)多品種 小批量零件生產(chǎn) 3 自動(dòng)化程度高 專業(yè)性強(qiáng) 加工精度高 生產(chǎn)效率高 4 降低對工人技術(shù)水平的要求 5 數(shù)控改造費(fèi)用低 經(jīng)濟(jì)性好 6 數(shù)控改造的周期短 可滿足生產(chǎn)急需 1 6 數(shù)控機(jī)床改造的設(shè)計(jì)步驟 將普通機(jī)床改造為數(shù)控機(jī)床 是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作 必須根據(jù)加工對象的要 求和工廠實(shí)際情況 確定切實(shí)可行的技術(shù)改造方案 搞好機(jī)床的改造設(shè)計(jì) 其改造設(shè) 計(jì)的一般工程如下 1 對加工對象進(jìn)行工藝分析 確定工藝方案 被加工工件既是機(jī)床改造的依據(jù) 又是機(jī)床改造后加工的對象 不同形狀 不同技術(shù)要求工件 其加工方法就不同 對 機(jī)床的要求也不相同 例如 對于圓柱形狀的零件可用車削 外圓磨等方法加工 而 平面則一般用銑削 平面磨等方法加工 對精度 表面粗糙度要求一般的外圓柱表面 常用車削加工 而精度高和表面粗糙度要求低時(shí)則要在外圓磨床上加工 在工藝分析 基礎(chǔ)上 繪制工序圖 初步選定切削用量 刀具運(yùn)動(dòng)路線 計(jì)算生產(chǎn)率 然后計(jì)算切 削力及切削功率 從而計(jì)算出進(jìn)給系統(tǒng)需要的功率和力矩等 這是選擇方案及驅(qū)動(dòng)部 件的依據(jù) 目前多用類比法或測定法完成 2 分析被改造機(jī)床 確定被改造機(jī)床類型 改造機(jī)床和設(shè)計(jì)機(jī)床是不同的 機(jī) 床設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書 對機(jī)床的整機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì) 然后將機(jī)床的各組成零 部件逐 一地制造 最后裝成機(jī)床 而機(jī)床改造則是圍繞某臺機(jī)床進(jìn)行工作 不僅要考慮機(jī)床 本身結(jié)構(gòu)的改造 還要考慮工藝系統(tǒng)中的刀具 夾具及其它輔具的改進(jìn) 以滿足生產(chǎn) 的需要 在制定機(jī)床改造方案時(shí) 可先根據(jù)指定的工藝方案 初步選定被改造機(jī)床的 類型 然后對被選定的機(jī)床進(jìn)行認(rèn)真分析 了解被改造機(jī)床的技術(shù)規(guī)格 技術(shù)狀況 各部聯(lián)系尺寸等 分析機(jī)床強(qiáng)度和剛度 分析被改造機(jī)床能否適應(yīng)改造要求以及經(jīng)濟(jì) 性等 最后確定被改造機(jī)床的型號 3 擬定技術(shù)措施 制定改造方案 根據(jù)加工對象的要求和被改造機(jī)床的實(shí)際情況 擬定應(yīng)采取的措施 指定出機(jī)床的改造方案 選用外購件時(shí) 一定要保證質(zhì)量 在擬 定技術(shù)措施 指定改造方案的過程中 應(yīng)充分進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 力求改造的機(jī)床不 僅能滿足技術(shù)性能的要求 還要獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益 使技術(shù)的先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性較好 地統(tǒng)一起來 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 4 設(shè)計(jì)或選用數(shù)控裝置 在滿足加工零件要求的同時(shí) 盡量使設(shè)計(jì)的數(shù)控裝置功 能強(qiáng) 穩(wěn)定可靠 通用性好 價(jià)格低 或選用國內(nèi)生產(chǎn)較好的專用數(shù)控裝置 5 進(jìn)行機(jī)床改造的技術(shù)設(shè)計(jì) 6 繪制機(jī)床改造的工作圖 7 整機(jī)安裝調(diào)試 數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用 但數(shù)控機(jī)床一次性投資較大 對機(jī)床進(jìn) 行數(shù)控化改造不失為一良策 闡述了 CA6140 普通數(shù)控車床的主軸系統(tǒng)的改進(jìn)及機(jī)床 控制系統(tǒng)的改造 主要介紹了對 CA6 14 0 車床進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造 主要包括縱向 橫向進(jìn)給系統(tǒng)及刀架的改造 CA6 14 0 車床主軸轉(zhuǎn)速部分保留原車床的手動(dòng)變速功能 改造簡單易行 可降低勞動(dòng)強(qiáng)度 提高生產(chǎn)效率 1 7 CA6140 的數(shù)控改造 本設(shè)計(jì)任務(wù)是對 CA6140 普通車床進(jìn)行數(shù)控改造 利用微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)改造縱 橫 向進(jìn)給系統(tǒng) 進(jìn)行開環(huán)控制 縱向脈沖當(dāng)量 0 01mm 脈沖 橫向?yàn)?0 005mm 脈沖 驅(qū) 動(dòng)元件采用直流步進(jìn)電機(jī) 傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠 1 7 1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床的核心 在選擇時(shí) 要對其性能 經(jīng)濟(jì)性及維修服務(wù)等進(jìn)行綜 合考慮 盡量選用名牌產(chǎn)品 根據(jù)被改機(jī)床的結(jié)構(gòu) 性能及被加工零件的精度來選 擇數(shù)控系統(tǒng) 既要功能相匹配 又要盡量減少過剩的數(shù)控功能 這樣一方面可避免 資金浪費(fèi) 另一方面也可避免因數(shù)控系統(tǒng)復(fù)雜而增加的故障率 目前數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型 步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng) 異步電機(jī)或直流電機(jī) 拖動(dòng)光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 交 直流伺服電機(jī)拖動(dòng)編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控 系統(tǒng) 其中步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng) 其伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要是步進(jìn)電機(jī) 功率步進(jìn) 電機(jī) 電液脈沖馬達(dá)等 該系統(tǒng)位移精度較低 但結(jié)構(gòu)簡單 調(diào)試維修方便 質(zhì)量 穩(wěn)定可靠 成本低 抗干擾性能強(qiáng) 對環(huán)境室溫要求不高 易改裝成功 適用于精 度要求一般的中小型機(jī)床的改造 也是目前數(shù)控改造中應(yīng)用最為廣泛的一種 異步電 機(jī)或直流電機(jī)拖動(dòng)光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)控制精度高 但在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給 系統(tǒng)復(fù)雜 工作量大 成本也高 調(diào)試?yán)щy 一般不采用 交 直流伺服電機(jī)拖 動(dòng)編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 其精度介于前二者之間 結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng) 簡單 適用于控制精度要求較高的大 中型機(jī)床的改造 總體方案確定為用一個(gè)完全緩沖的 8088 微處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理 由 I O 接 口輸出步進(jìn)脈沖 經(jīng)一級齒輪減速 帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng) 從而實(shí)現(xiàn)縱橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 示意圖如圖 1 所示 CA6140 普通車床設(shè)計(jì) 6 圖 1 1 總體方案 在一個(gè)大的系統(tǒng)中 總線必須經(jīng)過緩沖 這是因?yàn)?8086 8088 微處理器只能驅(qū)動(dòng) 10 個(gè)負(fù)載 而大系統(tǒng)常常有更多的負(fù)載 由于設(shè)計(jì)的是經(jīng)濟(jì)型車床的改造 所以在考 慮具體的方案時(shí) 其本原則是在滿足需要的前提下 對于機(jī)床盡可能減少改動(dòng)量 以 降低成本 8088 微處理器在數(shù)控改造應(yīng)用較普通 各種應(yīng)用軟件較多 系統(tǒng)開發(fā)較容易 且 其價(jià)格低廉 抗干擾性強(qiáng) 可靠性高 速度快 指令系統(tǒng)的效率高 體積小 最適宜 用來開發(fā)簡易和小型專用的數(shù)控裝置 1 7 2 CPU 和存儲(chǔ)器 由于 8088 微處理器是無片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 需要擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器 同時(shí) 8088 微處 理器內(nèi)部只有 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 也不能滿足控制系統(tǒng)的要求 故擴(kuò)展了兩片 2764 的程序存儲(chǔ)器和一片 6264 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 8088 微處理器的 A0 A19 和 D0 D7 用來傳送 外部存儲(chǔ)器的地址和數(shù)據(jù) 一個(gè)經(jīng)過完全緩沖的 8088 微處理器 有 8 個(gè)地址引腳 A15 A8 使用的是 74LS244 八緩沖器 8 個(gè)數(shù)據(jù)總線引腳 D7 D0 使用的是 74LS245 雙向 總線緩沖器 控制總線信號 IO M RD WR 使用的是 74LS244 緩沖器 一個(gè)經(jīng)過完 全緩沖的 8088 系統(tǒng) 需要兩片 74LS244 一片 74LS245 和兩片 74LS373 74LS245 的 方向由 DT R 信號控制 由 DEN 信號允許和禁止 8088 微處理器的 A8 A15 和 74LS373 送出的八位地址共同組成 16 位地址 2764 和 6264 芯片都是 8KB 需要 13 根地 址線 A0 A12 接 8088 微處理器的 13 根地址總線 系統(tǒng)采用全地址譯碼 兩片 2764 芯片 片選信號 CE 分別接 74LS138 譯碼器的 Y0 和 Y1 系統(tǒng)復(fù)位后程序從 0000H 開始執(zhí)行 6264 的片選信號 CE 也接 74LS138 譯碼器的 Y2 8088 微處理器控制信號 M IO 接 2764 的 OE 引腳 讀寫控制信號 WR 和 RD 分別接 6264 芯片的 WE 和 OE 以實(shí)現(xiàn)外部數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 1 7 3 I O 接口電路 由于 8088 微處理器的 I O 接口使用不能滿足輸入輸出口的需求 因而系統(tǒng)擴(kuò)展了 兩片 8155 可編程輸入輸出接口電路 8155 的片選信號 CE 分別接 74LS138 的 Y3 和 Y4 74LS138 譯碼器的三個(gè)輸入端 A B C 分別接到 8088 微處理器的 A13 A14 A15 I O 接口與外設(shè)的聯(lián)接是這樣安排的 8155 1 芯片的 PA0 PA5 為 面板上的選擇開關(guān) PB0 PB7 是各種運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)控制 PC0 PC3 發(fā)出刀位信號 控制刀架 電機(jī)回轉(zhuǎn) 到達(dá)指定的刀位 刀架夾緊之后 發(fā)出換刀回答信號 經(jīng) 8155 1 的 PB5 輸入 計(jì)算機(jī) 控制刀架開始進(jìn)給 8155 2 芯片的 PA0 PA7 為 Z X 向電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)脈沖 PB0 PB3 是鍵盤掃描輸入 PB4 PB7 的輸出是 X Y 向的限位控制 PC0 PC5 是顯示器的 位選信號 顯示器的段選信號由 8088 微處理器的 D0 D7 控制 1 7 4 其它部件的選擇 直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參照 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊 選取 滾珠絲杠選取 FC 系列 江漢機(jī)床廠的產(chǎn)品樣本 為內(nèi)循環(huán)雙螺母墊片預(yù)進(jìn) 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單 裝卸方便 剛度高 縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造 拆除原機(jī)床的進(jìn)給箱和溜板箱 在原機(jī)床進(jìn)給箱處安裝齒 輪箱體 滾珠絲杠仍安裝在原絲杠位置 采用原固定方式 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)改造 拆除原手動(dòng)機(jī)構(gòu) 用于微進(jìn)給和機(jī)床刀具對零件操作 原有 的支承結(jié)構(gòu)也保留 步進(jìn)電機(jī) 齒輪箱體安裝在機(jī)床后側(cè) 縱橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)都采用了一級齒輪 調(diào)隙齒輪傳動(dòng) 減速 調(diào)隙齒輪 可調(diào)拉彈 簧式 用于消除齒輪傳動(dòng)中的間隙 以提高數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)精度 在原溜板箱處安裝縱 橫向快速進(jìn)給按鈕和急停按鈕 以適應(yīng)機(jī)床調(diào)整時(shí)的操作 需要和遇到意外情況時(shí)的緊急處理需要 CA6140 數(shù)控改造的總體方案示意圖 CA6140 普通車床設(shè)計(jì) 8 加 工 工 件 圖 紙 數(shù) 控 程 序 的 編 制手 工 輸 入 計(jì) 算 機(jī)磁 帶控 制 計(jì) 算 機(jī)功 率 放 大 器步 進(jìn) 電 機(jī) 變 速 箱 步 進(jìn) 電 機(jī) 變 速 箱車 床 尾 座工 件 或 圖 1 2 普通車床數(shù)控改造的總體方案 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 2 數(shù)據(jù)參數(shù)的選擇及其計(jì)算 2 1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)得設(shè)計(jì)計(jì)算 裝配圖 2 工作臺重量 80kg 時(shí)間常數(shù) T 25ms 滾珠絲杠導(dǎo)程 S 6mm 行程 L 1200 mm 脈沖當(dāng)量 0 018mm step 步距角 0 75 step 快速進(jìn)給速度 2m minmaxV 加工最大直徑 400 mm 加工最大長度 1000 mm 溜板及力架重力 800N 刀架快段速度 2 4 m min 最大進(jìn)給速度 0 6 m min 主電機(jī)功率 7 5KW 起動(dòng)加速時(shí)間 30 ms 機(jī)床定位精度 0 015 mm 2 1 1 選擇脈沖當(dāng)量 根據(jù)機(jī)床精度要求確定 縱向 0 01mm 步 2 1 2 計(jì)算切削力 縱車外圓 由文獻(xiàn)可知切削功率 N k 式中 cN N 電動(dòng)機(jī)功率 7 5KW 主動(dòng)系統(tǒng)總功率一般為 0 6 0 7 取 0 65 K 進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù) 取 0 96 N K 7 5 0 65 0 96 4 68Kwc 又因 有 61206120VFzzVNc 式中 V 切削速度取 100m min 主切削力 6120 4 68 100 286 416kgf 2806 88Nz 由參考文獻(xiàn)三可知 主切削力 ZZFYxpFz KfaC 查表 188kgf mm XFz 1 YFZ 0 75 KTfz 1 則可計(jì)算如下表 pa mm 2 2 2 3 3 3 CA6140 普通車床設(shè)計(jì) 10 F mm 0 2 0 3 0 4 0 2 0 3 0 4 Fz kgf 112 5 152 4 189 1 168 7 228 7 283 7 當(dāng) 283 7 kgf 時(shí) 切削深度 3mm 走刀量 f 0 4 mm 此參數(shù)作為下邊計(jì)算z pa 用 由參考文獻(xiàn)三得一般外圓車削時(shí) 0 1 0 6 0 15 0 7 xzFy zF 0 5 0 5 286 416 143 208 kgf 1403 44 N Fz 0 6 0 6 286 416 171 8496 kgf 1684 1 Ny 橫切端面 主切削力 kgf 可取縱切的 1 2z 1 2 143 208 kgf 1403 44 Nz 取 0 6 0 6 143 208 85 9248 kgf 842 06 NxFz 0 5 0 5 143 208 71 604 kgf 701 72 Ny 2 1 3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 縱向進(jìn)給絲杠 計(jì)算進(jìn)給率引力 N mF 縱向進(jìn)給為綜合導(dǎo)軌 K f G xz 式中 K 考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)綜合導(dǎo)軌取 K 1 15 f 滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 0 15 0 18 取 0 16 G 溜板及力架重力 800 N K f G 1 15 1403 44 0 16 2806 88 800 2191 06 NmFxzF 計(jì)算最大的負(fù)載 C C fw L1 3 其中 106nTl 01lvs 其中 L0 滾珠絲杠導(dǎo)軌 初選 L0 6 mm Vs 最大切削力 F 的進(jìn)給速度可取最高進(jìn)給速度的 1 2 1 3 此外 Vs 0 6m min T 使用壽命 按 15000h 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 f w 1 2 1 5 wf L 壽命以 106 轉(zhuǎn)為 1 單位 N 1000Vs L0 1000 0 6 0 5 6 50r min L 60nT 10 60 50 15000 10 45 Q Fm fw L1 3 451 3 1 2 2191 06 9352 04 N 滾珠絲杠螺母副的選型 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 根據(jù)最大動(dòng)負(fù)荷 Q 的值 可選擇滾珠絲杠的型號 例如 滾珠絲杠參照江漢 機(jī)床廠的產(chǎn)品樣本選取 系列 滾珠絲杠直徑選為 30mm 型號為BFC1 其額定動(dòng)載荷是 10689N 所以強(qiáng)度足夠用 2154 0EBFC 傳動(dòng)效率計(jì)算 螺旋升角 2 44 tan 0 94 104ta n 剛度計(jì)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載 Fx 引起的導(dǎo)程 L0 的變化量 L1 Fm Fm E F 其中 在工作負(fù)載 Fx 作用下引起每一導(dǎo)程的變化量 mm 1L 工作負(fù)載即進(jìn)給率引力 NmF 滾珠絲杠的導(dǎo)程 mm 0 E 材料彈性模數(shù)對鋼 E 為 20 6 104 N mm 2 S 滾珠絲杠截面積 內(nèi)徑 mm 2 S d 2 2 d d0 2e 2Rs 36 3789 S d 2 2 36 379 2 2 3 14 10 38mm 其中 0 51 0 56 1 836SRwP e 0 707 0 025WD 故 L 2191 06 0 6 20 6 106 10 38 6 1428 10 6cmEFm0 滾珠絲杠受扭轉(zhuǎn)引起的導(dǎo)程變化量 很小 忽略不計(jì) 所2L 2 0L 以 L 1 21 100 0 6 6 1428 10 6 10 238 m0L 查表知 E 紋精度絲杠允許誤差 15 m 10 238 m 15 m 剛度夠 穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端用推力球軸承 支承基本不變 穩(wěn)定性不存在問題 2 1 4 齒輪及轉(zhuǎn)距的有關(guān)計(jì)算 設(shè)計(jì)計(jì)算公式均來自參考文獻(xiàn)三 縱向傳動(dòng)有關(guān)齒輪計(jì)算 傳動(dòng)比 i CA6140 普通車床設(shè)計(jì) 12 0 75 6 360 0 01 1 25pLi 360 滾珠絲杠導(dǎo)程 步距角 脈沖當(dāng)量P 故取 32 40 m 2mm b 18 20 m 64mm1Z2 1dZ mZ2 80mm 2ha 68mm 84mmd1d2 d1 2hf 59mm 75mm d 2 72mm1f 2f 1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 180 p 2 W 180 0 001 3 14 0 75 2 80 0 468kgf cm21J 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 7 8 10 4 4 04 150 0 29 95kg cm22 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 7 8 10 4 6 44 1 8 2 355kg cm23J 7 8 10 4 8 04 1 8 5 75kg cm24 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可以忽略 總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J J 1 22 J2 J4 J1 J3 1 1 25 2 29 95 5 75 2 355 0 468 22 586kg cm 2 3 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 M 起 起MmaxF0 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 M at0t 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M Mf 0 式中 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩max 折算到電機(jī)軸上的摩擦力力矩FM 由于絲杠預(yù)緊所引起 折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力力矩0 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩at 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩t J n 9 6T 10 4N ma 當(dāng) n 時(shí) mxnaMax 2000 1 25 6 416 7r mina0Liv 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 22 586 416 7 9 6 0 025 10 4 40 0138kgf cmmaxM 當(dāng) n 時(shí) s 導(dǎo)程 6mmtnat 1000 100 0 4 1 25 3 14 80 6 33 17r min0lfit主 22 58 33 17 9 6 0 025 10 4 0 3112N m 3 175kgf cmat iWLfiFf 20 0 當(dāng) 0 8 f 0 16 時(shí) 0 16 80 0 6 2 3 14 0 8 25 1 223kgf cmfM 1 2200 iLP 0 9 預(yù)加載荷 則0 xF3 143 208 0 6 1 0 9 2 6 3 14 0 8 1 25 0 866kgf cmiFx6 20 143 208 0 6 2 3 14 0 8 1 25 13 68kgf cmLMxt 所以 快速空載啟動(dòng)所需力矩 M 40 0138 1 223 0 866 42 10kgf cmmaxf0M 切削時(shí)所需力矩 M 3 175 1 223 0 866 13 68 18 95kgf cmatf0t 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M 1 223 0 866 2 089kgf cmf0 從以上數(shù)據(jù)分析 所需最大力矩 Mmax 發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí) cmNckgfM 0421 1 42max 2 2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 由于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與縱向類似 所用的公式不在詳細(xì)說明 工作臺重量 30kg 時(shí)間常數(shù) T 25ms 滾珠絲杠導(dǎo)程 S 6mm 行程 L 226mm 脈沖當(dāng)量 p 0 005mm step 步距角 0 75 step 快速進(jìn)給速度 1m minmaxV CA6140 普通車床設(shè)計(jì) 14 加工最大直徑 210mm 刀架快移速度 1 2m min 最大進(jìn)給速度 0 3m min 主電機(jī)功率 7 5kw 2 2 1 切削力計(jì)算 橫向進(jìn)給量為縱向的 1 3 1 2 取 1 2 則切削力約為縱向的 1 2 1 2 286 416kgf 143 208kgfzF 在切斷工件時(shí) 0 6 0 6 143 208 85 925kgfYz 0 5 0 5 143 208 71 604kgfx 2 2 2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 強(qiáng)度計(jì)算 對于燕尾型導(dǎo)軌 P k f W 2 xFzYF 取 k 1 4 f 0 2 則 Fm 1 4 71 604 0 2 143 2 30 2 85 925 169 26kgf n 1000 30r min0LVcs X 壽命值 L 60ntT 10 6 則 L 60 n T 106 60 30 15000 106 27 Q 271 3 1 2 169 26 609 33 5971 4N 根據(jù)最大動(dòng)負(fù)荷 Q 的值 可選擇滾珠絲杠的型號 例如 滾珠絲杠參照江漢 機(jī)床廠的產(chǎn)品樣本選取 系列 滾珠絲杠直徑選為 25mm 型號為BFC1 左 其額定動(dòng)載荷是 7596N 所以強(qiáng)度足夠用 2154 EBFC 效率計(jì)算 螺旋開角 r 3 39 摩擦角 10 tgr tg r tg3 39 tg 3 39 10 0 956 剛度驗(yàn)算 橫向絲杠支撐方式如下圖 4 最大牽引力為 169 25kgf 支撐間距 L 450mm 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 圖 2 1 橫向絲杠支撐圖 滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程 L0 的變化量為 d 2e 2 25 2 0 02 0 6 5 0 707 2 0 52 0 6 5 21 96mm0dsR 其中 L0 5mm E 20 6 106N cm2EFL1 F d 2 2 3 79cm2 169 25 9 8 0 5 20 6 106 3 79 10 62 10 61 滾珠絲杠受扭距引起的導(dǎo)稱變化量很小 可以忽略 故 21 3 m m1L 三級精度絲杠允許誤差為 15 m 所以剛度不夠 滾珠絲杠直徑亦不加大 采用貼塑導(dǎo)軌減小摩擦力 從而減小牽引力 則 Q 1 4 71 6 0 04 143 208 30 2 85 925 114 5kgf L 114 05 9 8 0 5 20 6 10 6 3 79 7 16 10 6 7 16 10 6 0 5 14 32 m m 此時(shí)剛度夠用 穩(wěn)定性計(jì)算 由于選用的絲杠直徑和以前機(jī)床的絲杠的直徑相同 所以穩(wěn)定性不存在問題 2 2 3 齒輪及設(shè)計(jì)的有關(guān)計(jì)算 傳動(dòng)比 i s 360 0 005 0 75 5 360 0 005 2 08 取 Z1 24 Z2 50 m 2mm b 20mm 20 d1 48mm d2 100mm d1 52mm d2 104mm df1 43mm df1 95mm d 74mm 1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 180 0 005 3 14 0 75 2 30 0 0438kgf cm22J 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 CA6140 普通車床設(shè)計(jì) 16 7 8 4 2 54 45 1 37kg cm2SJ 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 7 8 4 4 84 2 0 828 kg cm21z 7 8 4 104 2 15 6 kg cm22J 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量忽略 總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 1 22 JS JZ2 JZ1 JS 1 2 082 1 371 15 6 0 8281 0 0438 4 79kg cm2 2 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 1000 2 08 5 416r minmaxn5iv 4 79 416 10 4 9 6 0 025 0 83N m 8 47kgf cmMTJ6 9ax 1000 100 0 15 2 08 3 14 80 5 24 84 r min0Lftt主 01DVfi 4 79 24 84 10 4 9 6 0 025 0 0495 N m 0 506 kgf cmat F WS 2 i 0 2 30 0 5 2 3 14 0 8 2 08 0 287 kgf cmfiF 20 85 925 0 5 1 0 9 2 2 3 14 0 8 2 08 0 781 kgf cm 1 6200 LMY 85 925 0 5 2 3 14 0 8 2 08 4 111 kgf cmiyt 快速空載起動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩 8 47 0 287 0 781 9 538 kgf cm啟 maxf0 切削時(shí)所需轉(zhuǎn)矩 M 0 506 0 287 0 781 4 111 5 685 kgf cm切Mat0tM 快速進(jìn)給時(shí)所需轉(zhuǎn)矩 0 287 0 781 1 068kgf cm快 0f 從以上計(jì)算可知 最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí) 9 538kgf cm 95 38N cmmax 2 2 3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 一 步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則 合理選用步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問題 需要根據(jù)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)際工作 情況 經(jīng)過分析才能正確選擇 現(xiàn)僅就選用步進(jìn)電機(jī)最基本的原則介紹如下 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 1 步距角 a 步距角應(yīng)滿足 imn 式中 i 傳動(dòng)比 系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件的最小轉(zhuǎn)角 mn 2 精度 步進(jìn)電機(jī)的精度可用步距誤差或積累誤差衡量 積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任 意位置開始 經(jīng)過任意步后 轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值 用積累誤差 衡量精度比較實(shí)用 所選用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足 iQm 式中 步進(jìn)電機(jī)的積累誤差 系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差 s 3 轉(zhuǎn)距 為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行 不失步 不越步 正常啟動(dòng)并滿足對轉(zhuǎn)速 度的要求 必須考慮 1 啟動(dòng)力矩 一般啟動(dòng)力矩選取為 5 03 lqM 式中 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩 電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載力矩 0L 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和拍數(shù) 啟動(dòng)力矩選取如表 7 2 所示 為步進(jìn)電機(jī)的最大imM 靜轉(zhuǎn)距 是步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的 如表 7 3 表 7 4 表 7 5 所示 表在參考文 獻(xiàn)三 347P 2 在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi) 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜栽力矩與電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 引起的慣性距之和 4 啟動(dòng)頻率 由于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低 因此相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足 optf 式中 極限啟動(dòng)頻率 t 要求步進(jìn)電機(jī)最高啟動(dòng)頻率 mpf 0 二 步進(jìn)電機(jī)的選擇 1 CA6140 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 cmNMIq 125684 0 527 0 CA6140 普通車床設(shè)計(jì) 18 為滿足最小步距要求 電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式 查表知 0 866 所以 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距 為 imqM imM cNim 147986 025 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 Hzvfp3 axa 綜合考慮 查表選用 110BF003 型直流步進(jìn)電機(jī) 能滿足使用要求 2 CA6140 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 cmNMLq 82564 0132 電動(dòng)機(jī)仍選用三相六拍工作方式 查表知 86 imq 所以 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距 為 im cNMqi 01768 256 0 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 HZvfp3 5 maxa 為了便于設(shè)計(jì)和采購 仍然選用 110BF003 型直流步進(jìn)電機(jī) 能滿足使用要求 2 3 自動(dòng)刀架的設(shè)計(jì) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床一般都配有四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 它是據(jù)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)改造傳統(tǒng)機(jī) 床設(shè)備的需要 同時(shí)兼顧刀架機(jī)床上能夠獨(dú)立控制的需要而設(shè)計(jì)的 現(xiàn)有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀 其 結(jié)構(gòu)主要有插銷式和端齒盤式 由于刀架生產(chǎn)廠家無一標(biāo)準(zhǔn) 因此 結(jié)構(gòu) 尺寸各異 由 于目前使用較多的是端齒盤式四工位自動(dòng)刀架 所以就選用端齒盤式四工位自動(dòng)刀架 從自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的工作原理可知 這類刀架由控制系統(tǒng)直接控制 刀架能自動(dòng)完 成抬起 回轉(zhuǎn) 選位 下降定位和壓緊這樣一系列的動(dòng)作 下面依次討論刀架要完成 上述過程的設(shè)計(jì)原理 2 3 1 刀架的抬起 利用螺紋傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成軸向直線運(yùn)動(dòng) 從而達(dá)到抬起刀架的目的 在這種 情況下完成這一功能的絲杠要豎直安放 在刀架的抬起過程中要防止刀架轉(zhuǎn)動(dòng)這可通 過設(shè)計(jì)一個(gè)帶有斜面的粗定位銷和定位銷槽的配合來完成 并使斜面間摩擦力產(chǎn)生的 阻力矩 大于上述轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 2 3 2 刀架的回轉(zhuǎn)和選位 刀架由一個(gè)微電機(jī)通過傳動(dòng)系統(tǒng)來帶動(dòng)刀架的轉(zhuǎn)動(dòng) 軸線是豎直的而轉(zhuǎn)速比起微 電機(jī)來要慢的多 由于電機(jī)空間條件限制必須臥式安裝 因此兩者的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線互相垂 直或異面垂直 蝸輪蝸桿傳動(dòng)比較適合于這場合刀架從抬起變成轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)作原理是 當(dāng)?shù)都芴鸬教囟ㄎ恢脮r(shí)由一個(gè)正在旋轉(zhuǎn)的撥塊帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)動(dòng) 因此刀架的抬起運(yùn)動(dòng) 和轉(zhuǎn)動(dòng)由同一傳動(dòng)系統(tǒng)來先后完成 刀架轉(zhuǎn)過一定角度后要選位看一看轉(zhuǎn)到這個(gè)位置的刀具是否符合加工要求 這一 切是由于微機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)具體的說當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)動(dòng)此位置時(shí)程序自動(dòng)地將改位置的編碼與 所需刀具編碼加以比較 若相同 該刀具就選定此位 否則再移動(dòng) 重復(fù)上述過程 每次轉(zhuǎn)過的角度大小 由刀架的面體數(shù)量來確定由于設(shè)計(jì)的四工位刀架 每次轉(zhuǎn) 360 4 90 對于五方刀架 每次轉(zhuǎn) 360 5 72 對于六方刀架 每次轉(zhuǎn) 360 6 60 度 刀 架編碼位數(shù)也各不相同 對于四方刀架 由兩位二進(jìn)制數(shù)即可表示完全 四個(gè)刀位編 碼分別為 00 01 10 11 對于五方刀架 必須由三位二進(jìn)制數(shù)表示 即 000 001 011 110 111 六方刀架編碼為 000 001 011 100 110 111 刀架編 碼信號的發(fā)出 是由于裝在隨刀架一起轉(zhuǎn)動(dòng)的微機(jī)電源開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的 微機(jī)開關(guān)的觸 頭朝外 它的開頭狀態(tài)由一個(gè)內(nèi)表面凸輪來控制 凸輪實(shí)際上是只有一定半徑差的兩 個(gè)內(nèi)圈弧表面 微動(dòng)開關(guān)觸頭與小半徑差的兩個(gè)內(nèi)圓弧表面接觸 開關(guān)便接通 與大 半徑內(nèi)圓弧表面接觸 開關(guān)便中斷與此對應(yīng)的信號分別是 0 和 1 所需要的微動(dòng)開關(guān)數(shù) 目 等于編碼的位數(shù) 即四方刀架有兩個(gè)微動(dòng)開關(guān) 五方和六方刀架各有三個(gè)微動(dòng)開 關(guān) 另外 刀架編碼信號并非刀架轉(zhuǎn)到此位置時(shí)才發(fā)出 而是提前發(fā)出的 刀具的選 位位置由一個(gè)粗定位開關(guān)來控制的 當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)到某個(gè)刀位時(shí) 粗定位開關(guān)發(fā)信號 停 轉(zhuǎn) 微機(jī)進(jìn)行編碼比較 根據(jù)比較結(jié)果 或刀架選定此位 或繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng) 粗定位開關(guān) 的通斷控制也是由一個(gè)類似于表面凸輪的定位槽來完成 2 3 2 刀架的下降定位和壓緊 刀架選定位置后 斜面插入斜面槽中 使之粗定位 然后微機(jī)控制使微電機(jī)反轉(zhuǎn) 由于斜面銷的棘輪作用 刀架不跟隨轉(zhuǎn) 只是下降 再由精定位元件來精定位 精定位元件有若干中 常采用錐形定位銷定位 但是 如果只用一個(gè)定位銷定位 那么刀架的定位精度和定位剛度都不滿足 若用多個(gè)定位銷定位 定位銷孔的位置精 度要求極高 加工難度較大 相比之下 端面齒盤定位的優(yōu)點(diǎn)較為明顯 端面齒盤來 精定位齒盤齒廓部分的形狀精度可以從工藝上嚴(yán)加控制 再經(jīng)過反復(fù)對研 即可得到 很高的精度 由于端面齒盤定位位多齒接觸 接觸面積大 因此它還有接觸剛度好 定位尺寸穩(wěn)定性好和壽命長等特點(diǎn) 此外 這種元件允許刀架下降時(shí)有一定角度誤差 因此 轉(zhuǎn)位刀架的精確定位最常用的是端齒盤結(jié)構(gòu)方式 定位完畢 需要壓緊刀架 才能安全可靠地工作 壓緊力是由刀架下降到底后 微電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生 壓緊力大小應(yīng)是切削力大小兩倍以上 而且應(yīng)能調(diào)整 當(dāng)壓緊 力達(dá)到調(diào)整數(shù)值時(shí) 使微電機(jī)停轉(zhuǎn) 且始終能保持這一壓力直到下一動(dòng)作循環(huán)的開始 CA6140 普通車床設(shè)計(jì) 20 2 3 3 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 本減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成一級齒輪傳動(dòng)的一級直齒圓柱齒輪減速器 由 經(jīng)濟(jì)型機(jī)床數(shù) 控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 張新義主編 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1994 7 第六章 P335 表 6 32 和 表 6 33 已知電機(jī)功率為 120w 電機(jī)轉(zhuǎn)速為 1400r min 工作可靠 30000 次取為 40000 次換刀時(shí)間 270 為 3 9s 設(shè)傳動(dòng)比為 i 4 6 1 選擇材料 刀架為一般工作器 選常用材料及熱處理 40cr 表面淬火齒面硬度 48 55HRC 取 中間值 52HRC 計(jì)算許用應(yīng)力 選用齒面精度等級為 5 級精度 GB10095 58 初選小齒輪齒數(shù) Z1 19 大齒輪 齒數(shù) Z2 i Z1 4 6 19 87 4 取 Z2 88 實(shí)際齒數(shù)比 Z2 Z1 88 19 4 632 齒數(shù)比誤差為 M 理 M 實(shí) M 理 4 632 4 6 4 6 0 007 在允許范圍內(nèi) 2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 計(jì)算公式按式 6 6 d1t 2kT1 d u 1 u Ze Zh Z H 1 確定計(jì)算參數(shù) T1 9 55 10 P1 n1 9 55 10 0 16 1400N mm 1 09 10 N mm 按齒數(shù) z1 19 z2 88 查表 6 15 得 1 0 741 2 0 845 則 1 2 0 741 0 845 1 586 因是直齒輪 0 故 1 586 查表 6 7 假設(shè) KaFt b 100N mm 取 K 1 3 據(jù)表 6 6 因?yàn)檩d荷穩(wěn)定電機(jī)驅(qū)動(dòng) Ka 1 0 據(jù)表 6 9 懸臂布置 取齒寬系數(shù) d 0 5 據(jù)圖 6 11 查得 K 1 26 試選 Kvt 1 05 下標(biāo) t 表示試選 由式 6 2 K 1 1 05 1 26 1 3 1 72AVK 由表 6 8 查得 189 8MpaeZ 由表 6 10 查得齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限 大小齒輪硬度相同 1500Mpalimh 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 1400 60 4000 4 4 4 1 10 1N 4 1 10 4 632 8 9 10 2 由圖 6 32 查得 1 6 不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕 1 6 不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕 1nZ2nZ 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 由 6 11 取安全系數(shù) 1 50hS 由圖 6 24 工作硬化系數(shù) 1 0wZ 許用接觸應(yīng)力 1500 1 6 1 1 5 1600mpa1 H lim1nhS 1500 1 6 1 1 5 1600mpa2li2Zw 因?yàn)?6 16 1600Mpa 所以 1600Mpa1 H H 由圖 6 16 查得 Z 0 89 2 計(jì)算 d1t 2kT1 d u 1 u Ze Zh Z H 13 61 重新校核 動(dòng)載荷系數(shù) 齒輪速度 V 13 41 1400 60 1000 0 98m s10 6nd VZ1 100 0 98 19 100 0 1562m s 查圖 6 8 得 Kr 1 01 與假設(shè)相差較大 修正 d1 Kv Kvt d1t 1 01 1 05 13 41 13 24mm 模數(shù) m d1 Z 13 24 19 0 7mm 按表 6 3 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m 1mm 因此求得 m 1 19 19mm1dz m 1 88 88mm2Z b d d1 0 5 19 9 5 圓整取大齒輪寬度 b2 13mm 小齒輪寬度 b1 10mm 校核原設(shè)計(jì) KA Ft b 100N mm 查表 6 7 Ft 2T1 d 2 10 9 10 19 1 15 10 N KA Ft b 1 0 115 13 38 3N m 100N mm 符合原設(shè)計(jì) 3 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 計(jì)算公式 F 2KT1 bd1m YF2 YS2 Y F CA6140 普通車床設(shè)計(jì) 22 查表 6 20 19 得齒形系數(shù) YF 1 2 85 YF 2 2 22 查圖 6 21 20 得應(yīng)力修正系數(shù) 1 54 1 781SaY2Sa 查圖 6 10 21 得彎曲疲勞強(qiáng)度極限 大小齒輪硬度相同 1000mpalimF 取 2 表 6 11 22 S Yx 1 由圖 6 26 23 因 M 5 查圖 6 25 24 2 521NY 1000 2 5 1 2 1250MPa1 F limFXS 1250Mpa2 比較 2 55 1 548 1250 0 0041 FY1 2 22 1 78 1250 0 00322 小齒輪較軟應(yīng)該按小齒輪校核彎曲疲勞強(qiáng)度查圖 6 22 26 得重合度系數(shù) 0 71 Y 2 1 7199 10 914 10 10 19 1 2 22 1 782 F 1mTbdK2FaYS 0 71 55 43Mpa 1250Mpa1 F 所以彎曲疲勞強(qiáng)度足夠 4 幾何尺寸計(jì)算 按 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊 1 分度圓直徑 m 1 19 19mmd1z m 1 88 88mm22 2 齒頂高 M 1 1 1mmah 3 齒根高 M 1 25 1 1 25mmf ac 4 齒高 h 1 1 25 2 25mmaf 5 齒頂圓半徑 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 2 19 2 21mm1adah 2 88 2 1 90mm 6 齒根圓半徑 2 19 2 1 25 16 5mm1fdfh 2 88 2 1 25 85 5mm2ff 7 中心距 a 1 2 1 2 16 5 85 5 51mm1d2 8 齒寬 13 152b1 2 3 3 蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 已知電動(dòng)功率為 120w 所設(shè)計(jì)的減速器齒輪的齒面精度為 5 級 傳動(dòng)效率為 98 5 以上取 99 蝸桿的應(yīng)力循環(huán)系數(shù)為 601N 1 選擇材料 蝸桿用 40Cr 表面淬火 硬度 45 55HRC 蝸輪用鑄錫青銅 ZCUSN10P1 砂模鑄造 2 確定蝸桿頭數(shù) 及蝸桿齒數(shù) i1Z i 30 取 1 則 i 1 30 30Z2 3 按蝸桿齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算 1 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)距 按第三節(jié)推薦值 取 0 72T 9 55 106 2T2 P 9 55 106 0 16 0 7 0 99 30 4 6 69074N mm 2 確定載荷系數(shù) K 在定載荷下工作未定載荷下工作有沖擊 取 K 1 設(shè)蝸輪圓周速度為 3m s 取 1 05 2VV K 1 1 05 1 05 3 確定許用應(yīng)力 查表 7 5 H 基本許用應(yīng)力 200Mpa 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 60n2tN V 設(shè)此蝸輪蝸桿每日工作 8 小時(shí)工作壽命 10 年 每年工作 260 天 則 N 60 1400 138 8 260 10 1 26 10 7 壽命系數(shù) 10 7 N 107 1 26 10 7 0 93nZ CA6140 普通車床設(shè)計(jì) 24 許用接觸應(yīng)力 ZH OH 0 97 200 194MpaH 4 計(jì)算模數(shù) m 以及蝸桿分度圓直徑 1d 鑄錫青銅與蝸桿配對時(shí) ZE 160 MPA 由式 7 9 得 m d1 9KT2 ZE Z2 H 9 1 05 7907