【正文】 術(shù)的發(fā)展，使我國數(shù)控機(jī)床在品種上、性能上以及水平上均有了新的飛躍。我國的數(shù)控機(jī)床已跨入一個新的發(fā)展階段。四、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢從數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動化是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展趨勢。對單臺主機(jī)不僅要求提高其柔性和自動化程度，還要求具有進(jìn)入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力。在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，諸如日本的 FANCU，德6 / 40國的 SIEMENS 和美國的 AB 公司，產(chǎn)品都向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了 16 位和 32 位微機(jī)處理機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴(kuò)大到 1MB 以上，機(jī)床分辨率可達(dá) 微米，高速進(jìn)給可達(dá) 100m/min,控制軸數(shù)可達(dá) 16 個，并采用先進(jìn)的電裝工藝。在驅(qū)動系統(tǒng)方面，交流驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點漂移、溫度漂移等弱點。五、數(shù)控機(jī)床改造的意義數(shù)控機(jī)床改造在國外已發(fā)展成一個新興的工業(yè)部門，早在 60 年代已經(jīng)開始迅速發(fā)展，其發(fā)展的原因是多方面的，主要有技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、市場和生產(chǎn)上的原因。我國是擁有 300 多萬臺機(jī)床的國家。而這些機(jī)床又大多是多年累積生產(chǎn)的通用機(jī)床，不論資金和我國機(jī)床制造廠的能力都是辦不到的。因此，盡快將我國現(xiàn)有一部分普通機(jī)床實現(xiàn)自動化和精密化改裝，是我國現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的課題。用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床，正是適應(yīng)了這一要求。它是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。在機(jī)床改造中引入微機(jī)的應(yīng)用，不但技術(shù)上具有先進(jìn)性，同時，在應(yīng)用上比其它傳統(tǒng)的自動化改裝方案，有較大的通用性與可調(diào)性。而且所投入的改造費用低，一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價格僅為全功能數(shù)控裝置的 1/3 至 1/5，用戶承擔(dān)的起。從若干單位成功應(yīng)用的實例可以證明，投入使用后，確實成倍地提高了生產(chǎn)效率，減少了廢品率，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。因此，我國提出從大力推廣經(jīng)濟(jì)型數(shù)控這一中間技術(shù)的基礎(chǔ)上，再逐步推廣全功能數(shù)控這條道路，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。同時，它還可以作為全功能數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的準(zhǔn)備階段，為今后使用全功能數(shù)控機(jī)床，培養(yǎng)人才，積累維護(hù)、使用經(jīng)驗，而且也是實現(xiàn)我國傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)朝機(jī)電一體化的方向過渡的主要內(nèi)容之一第一章 C6140 車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)改造方案的擬訂 總體方案確定C6140 車床數(shù)控改造方案本文改造后的結(jié)構(gòu)是一種非常典型臥式車床的數(shù)控改造結(jié)構(gòu)，改造時拆除原機(jī)床的縱向和橫向絲杠光杠、溜板箱、掛輪箱的掛輪、原手動刀架及手柄等部件，用滾珠絲杠替換原有普通絲杠、用電動刀架替換原有的普通刀架?？v向和橫向7 / 40進(jìn)給采用步進(jìn)電動機(jī)及減速器驅(qū)動，橫向步進(jìn)電動機(jī)及減速器裝置安裝在機(jī)床床鞍的后部，縱向的步進(jìn)電動機(jī)減速器裝置安裝在機(jī)床的右端。由于被改裝的機(jī)床本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)不是按數(shù)控機(jī)床的要求設(shè)計的，其精度和剛度等性能指標(biāo)往往不能滿足數(shù)控機(jī)床的要求，因此將普通機(jī)床改造為全功能的數(shù)控機(jī)床，一味追求先進(jìn)指標(biāo)則會得不償失，所以確定總體方案的原則應(yīng)當(dāng)是在滿足生產(chǎn)需要的前提下，對原機(jī)床盡可能減少機(jī)械部分的改動量，選擇簡單易用的數(shù)控系統(tǒng)，達(dá)到合理的性價比。本次改造設(shè)計要求就是根據(jù)這一原則提出的。根據(jù)設(shè)計要求、依據(jù)設(shè)計參數(shù)及機(jī)床數(shù)控改造的理解，總體方案確定如下：（1）系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。（2）.機(jī)械傳動方式為實現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)度，盡量減少摩擦量力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。 C6140 車床的設(shè)計參數(shù)根據(jù)型普通原始數(shù)據(jù)及數(shù)控改造設(shè)計要求，確定主要如下： 最大加工直徑： 車床身上： 400mm 車床鞍上： 210mm 最大加工長度： 1000mm 快進(jìn)速度： 縱向 橫向 最大切削進(jìn)給速度： 縱向 橫向 脈沖當(dāng)量：8 / 40 縱向 橫向 脈沖分配方式： 逐點比較法 控制坐標(biāo)數(shù)： 2 機(jī)床定位精度： 177。 溜板及刀架重力： 縱向： 800N 橫向： 600N 自動生降速性能： 有 起動加速時間： 30ms主電機(jī)功率： 第二章機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計和計算 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)改造設(shè)計方案 縱向進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案拆除原機(jī)床的進(jìn)給像、溜板箱、滑動絲杠、光杠等，裝上步進(jìn)電機(jī)、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(diào)隙方式。利用原機(jī)床進(jìn)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(shù)小于原絲杠，且外徑比原先的大，從而使縱向進(jìn)給整體剛度只可能增大。 縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)都采用了一級齒輪減速。雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙。因為彈簧的彈力很難適應(yīng)負(fù)載的變化情況。當(dāng)負(fù)載大時，彈簧彈力顯小，起不到消除間隙之目的；當(dāng)負(fù)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(diào)整、螺釘緊固的辦法消除間隙。 橫向進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jìn)給系統(tǒng)剛度，支承方式采用9 / 40兩端裝止推軸承。步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱安裝于機(jī)床后側(cè)，為了使減速機(jī)構(gòu)不影響走刀，同時消除傳動過程的沖擊，減速機(jī)構(gòu)采用二級傳動，從動輪采用雙薄片錯位消除間隙。 進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)機(jī)械部分的設(shè)計計算此機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)運動及動力計算如下： 進(jìn)擇脈沖當(dāng)量根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向:，橫向:(半徑)。 計算切削力（1）縱車外圓主切削力 Fz(N)按經(jīng)驗公式估算:Fz== x =5360按切削力各分力比例: F z:Fx:Fy=l:: Fx = 5360 x = 1340Fy = 5360 x = 2144（2）橫切端面 主切削力 F’z(N)可取縱切的 1/2: 2680139。 ?z 此時走刀抗力為 F’y(N)，吃刀抗力為 F’x(N)。仍按上述比例粗略計算: F’z:F’y:F’x=1:: F’y=2680 x = 670 F’x=2680 x = 1072 滾珠絲杠螺母副的計算和選型滾珠絲杠螺母副的設(shè)計首先要選擇結(jié)構(gòu)類型：確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定之后，再計算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑 d0（絲杠外徑d） 、導(dǎo)程 L0、滾珠的工作圈數(shù) j、列數(shù) K、精度等級等。滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。我們在此選用螺旋槽式外循環(huán)：在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔，同螺母的螺紋滾道相切，形成滾珠返回通道。為防止?jié)L珠脫落，螺旋槽用鋼套蓋住。在通孔口設(shè)有擋珠器，引導(dǎo)滾珠進(jìn)入通孔。擋珠器用圓鋼彎成弧形桿，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺10 / 40母上。它的優(yōu)點是：工藝簡單，螺母外徑尺寸較小。缺點是：螺旋槽同通孔不易連接準(zhǔn)確，擋珠器鋼性差、耐磨性差。滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過盈滾珠預(yù)緊等。 縱向進(jìn)給絲杠（1）計算進(jìn)給率引力 Fm(N)縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌： 2530)85360(.)(39。 ?????GFfKzxm式中： K－－考慮顛復(fù)力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取 K＝。 滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù):。39。f G 溜板及刀架重力: G = 800N。（2） 計算最大動負(fù)載 c:mwFfLc3?610Tn?0Lvs?式中:L 0 ——滾珠絲杠導(dǎo)程，初選 L0=6mm。vs——最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的（1/2 ～1/3） ，此處vs＝ ；fw——運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取 fw＝～；L——壽命、以 106 轉(zhuǎn)為 1 單位。 NFfLCTnrvmws ????（3）滾珠絲杠螺母副的選型和校核可采用外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1 列 圈，其額定動負(fù)載為11 / 4016400N，精度等級選 3 級。傳動效率計算 )(?????tg式中：γ——螺旋升角，W 1L4O0bγ=2 04439。φ——摩擦角取 1039。滾動摩擦系數(shù) ～.)39。1042()(????tgt??（4）剛度驗算一般滾珠絲杠比較細(xì)長，它的剛度應(yīng)該給與充分重視。先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖。最大牽引力為 2530N。支承間距L=15OOmm 絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的 1/3。 圖 4縱向進(jìn)給系統(tǒng)計算簡圖 （）絲杠的拉伸或壓縮變形量 δ 1根據(jù) Pm=2530N,Do=40mm, 查資料可查出 δL/L=﹡lO 5，可算出:δ 1=δ L/L1500=1051500=102(mm)由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高 4倍。其實際變形量 δ ‘1 (mm)為:211045.39。 ???? （）滾珠與螺紋滾道間接觸變形 δ 2查資料 W 系列 1 列 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 δ QmQ???12 / 40 因進(jìn)行了預(yù)緊， mQ????? ()、支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 δ 3采用 8107 型推力球軸承，d 1=35mm，滾動體直徑 dQ=，滾動體數(shù)量 z=18,)( mZFQmc ??????注意，此公式中 Fm 單位應(yīng)為 kgf因施加預(yù)緊力，故 ????根據(jù)以上計算：定位精度????m015..（5）穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。 橫向進(jìn)給絲杠（1）計算進(jìn)給牽引力 F‘m:橫向?qū)к墳檠辔残危嬎闳缦? NGfFxZym 203)6107268(.)39。2(39。4. 39。39。39。 ??????????（2）計算最大動負(fù)載 c mFfLcTnvmws 39。????（3）選擇滾珠絲杠螺母副查資料，W1L20221 列 圈外循環(huán)螺紋預(yù)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。（4）傳動效率計算 )39。134()(0?????tgt??（5）剛度驗算13 / 40橫向進(jìn)給絲杠支承方式如（21）圖所示，最大牽引力為 2425N，支承間距L=45Omm，因絲杠長度較短，不需預(yù)緊，螺母及軸承預(yù)緊。圖（21 ）計算如下:()、絲杠的拉伸或壓縮變形量 δ 1 (mm)查圖 46，根據(jù) F39。m＝2023N，D。=2Omm，查出 δ L /L=5lO5，可算出mL251 . ??????? 圖 4橫向進(jìn)給系統(tǒng)計算簡圖 ()、滾珠與螺紋滾道間接觸變形 δ 2查資料： mQ???14 / 40因進(jìn)行了預(yù)緊 δ 2=1/2δ Q=*=()、支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形 δ 3采用 8102 推力球軸承，d Q=,z=12，d=l5mm )(.39。 mzpQmc ??????考慮到進(jìn)行了預(yù)緊，故 ?綜合以上幾項變形量之和: ??????顯然此變形量已大于定位精度的要求，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改設(shè)計，因橫向溜板空間限制，不宜再加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌減小摩擦力，從而減小最大牽引力。重新計算如下: NGFfFxzym 15)601722680()39。2(39。39。39。 ????????從資料查出，當(dāng) Fm’=1155N 時，δ L/L=??L?δ 2 和 δ 3 不變，則 δ＝δ 1＋δ 2＋δ 3＝＋＋＝ 定位精度為177。，故此變形量仍不能滿足，如果將滾珠絲杠再經(jīng)過預(yù)拉伸，剛度還可提高四倍，則變形量可控制在要求的范圍之內(nèi)。 ????????從上面計算過程可以看出，設(shè)計的過程要經(jīng)過反復(fù)修改參數(shù)，反復(fù)計算才能達(dá)到滿意的結(jié)果。（6）穩(wěn)定性校核計算臨界負(fù)載其 FK(N)2LEIfFZK??式中： E——材料彈性模量，鋼:E＝1O 6N/cm215 / 40I——截面慣性矩（cm 4）絲杠： ，di 為絲杠內(nèi)徑；