【正文】 的自動化能力，以實現(xiàn)預定的加工工藝目標。 隨著數控機床越來越多的普及應用，數控機床的技術經濟效益為大家所理解。在國內工廠的技術改造中，機床的微機數控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數控機床一面利用數控、數顯、 PC 技術改造普通機床，并取得了良好的經濟效益。我國經濟資源有限，國家大，機床需要量大，因此不可能拿出相當大的資金去購買新型的數控機床，而我國的舊機床很多，用經濟型數控系統(tǒng)改造普通機床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的 需要，又能提高機床的自動化程度，比較符合我國的國情。 1984 年，我國開始生產經濟型數控系統(tǒng)，并用于改造舊機床。到目前為止，已有很多廠家生產經濟型數控系統(tǒng)?？梢灶A料，今后，機床的經濟型數控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設計實例具有典型性和實用性。 陜西理工學院畢業(yè)論文（設計） 第 4 頁 共 41 頁 第二章 總體方案的設計 設計任務 本設計任務是對 CA6140 普通車床 工作臺 進行數控改造 熟悉普通車床 6140 的工作臺基本傳動機構（橫向和縱向）。利用微型計算機改造現(xiàn)有的普通車床，主要應該解決的問題是如何將機械傳動的進給和手動控制的刀架轉位， 進給改造成由計算機控制的刀架自動轉位以及自動進給的自動加工機床，即經濟型數控車床。 利用 PLC 對縱、橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，縱向（ Z 向）脈沖當量為 ，橫向（ X 向）脈沖當量為 ，驅動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉位刀架。 總體方案的論證 對于普通機床的經濟型數控改造，在確定總體設計方案時，應考慮在滿足設計要求的前提下，對機床的改動應盡可能少，以降低成本。 （ 1）數控系統(tǒng)運動方式的確定 ： 數控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)、 連續(xù)控制系統(tǒng)。由于要求 CA6140 車床加工復雜輪廓零件，所以本微機數控系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動連續(xù)控制系統(tǒng)。 （ 2）伺服進給系統(tǒng)的改造設計 ： 數控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。 因為開環(huán)控制具有結構簡單、設計制造容易、控制精度較好、容易調試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。所以，本設計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 （ 3）數控系統(tǒng)的硬件電路設計 ： 任何一個數控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數控系統(tǒng)的基礎，性能的好壞直接影響整體數控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。 總體方案的確定 經總體設計方案的論證后， 數控化改造設計時 ,在滿足車床總體布局的前提下要盡可能利用原來的零部件 ,因此確定總體改造方案如下 ： (1) 拆除原車床的縱向和橫向絲杠 及 光杠、溜板箱及掛輪箱中的齒輪 ， 用滾珠絲杠替換原有普通滑動絲杠 ， 將選取的縱向滾珠絲杠副通過托架安裝在原溜板箱與床鞍連接的部位上 ， 縱橫向滾珠絲杠兩端盡可能利用原固定和支承方式。為便于安裝滾珠絲杠副 ，絲杠采用分體式 ， 用套筒聯(lián)軸器實剛性聯(lián)接 ； (2) 橫向驅動電機及齒輪減速器安裝在床鞍的后部 (相對操作者 ) ， 縱向驅動電機陜西理工學院畢業(yè)論文（設計） 第 5 頁 共 41 頁 及齒輪減速 裝置安裝在機床的右端 ， 靠 近尾座的位置 ； (3) 要實現(xiàn)自動換刀 ， 需拆除原手動刀架 ， 在小拖板上安裝數控轉位刀架 ； (4) 為了使改造后的車床能夠加工螺紋 ， 需要加裝主軸脈沖編碼器 ， 以實現(xiàn)對主軸轉速的同步檢測 ， 編碼器安裝在掛輪箱內 ； (5) 為使加工過程中不超程 ， 縱橫向要安裝行程限位開關 ； (6) 為實現(xiàn)回參考點的動作 ， 必須在縱橫向安裝接近開關 ； (7) 縱、橫向齒輪箱和絲杠全部加防護罩 ， 以防臟物、油污和切屑等進入 ， 機床整體也要加裝防護罩 ， 以防止加工過程中的切屑飛濺傷人 ； (8) 考慮到改造的成本 ， 盡可能采用可靠性高的經濟型數控系統(tǒng)。 圖 1為總體改造示意圖 圖 1 總體改造示意圖 1. 橫向滾珠絲杠副 2. 橫向電機 3. 橫向減速器 4. 尾座 5. 縱向 減速器 6. 縱向電機 7. 支架 8. 縱向滾珠絲杠副 9. 數控轉位刀 架 10. 主軸脈沖編碼器 數控系統(tǒng)的選擇 選擇數控系統(tǒng)時主要是根據數控改造后機床要達到的各種精度、各種性能等選擇性價比合適的系統(tǒng) ,避免系統(tǒng)功能過剩 ,同時考慮到原車床的精度和改造成本、周期和難易程度等各方面因素 ,決定采用步進電機作為驅動元件、開環(huán)控制的經濟型數控系統(tǒng)。SINUMERIK 802S base line 是西門子公司專門為中國數控機床市場開發(fā)的經濟型 CNC 控制系統(tǒng)。其結構緊湊 ,具有高度集成于一體的數控單元、機床操作面板和輸入輸出單元 ,機床調試配置數據少 ,容易改造成功。最終決定采用西門子經濟型數控系統(tǒng) SINUMERIK 802S base line。 陜西理工學院畢業(yè)論文（設計） 第 6 頁 共 41 頁 第三章 機械部分改造 機械傳動方式 為實現(xiàn)機床所要求的分辨率 ， 采用步進電機經齒輪減速再傳動絲杠 ， 為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性 ， 盡量減少摩擦力 ， 選用滾珠絲杠螺母副 。 同時 ， 為提高傳動剛度和消除間隙 ， 采用有預加負荷的結構 。 齒輪傳動 也采用消除齒側間隙的結構 。 橫向進給系統(tǒng)改造 橫向滾珠絲杠也采用一端固定 ， 一端浮動 ， 三點支承的形式 ， 也通過雙螺母螺紋預緊方式消除絲杠和螺母間的間隙 ， 如圖 5 所示。橫向步進電機 1 及減速器 2 安裝在床鞍的后部。靠近操作者一端 ， 布置一根支撐短軸 11， 通過套筒聯(lián)軸器 10 與滾珠絲杠 7 連接起來。右端仍利用原支承橫向進給絲杠的滑動軸承支座作為徑向支承 ， 并對原支承處作適當改造 ， 布置一對推力球軸承 12 ,以承受雙向 軸向力。左端則將原車床的懸空結構改為支承結構 ， 用一個聯(lián)軸套 4 和一根連接短軸 6 把滾珠絲杠 7 與減速器輸出軸 3 連接起來 ， 并通過一對圓螺母 5 實現(xiàn)對整個絲杠的預拉伸和鎖緊 ， 以提高其軸向剛度。螺母通過螺母座 9 直接固定在中拖板 8 上。 數控機床進給伺服系統(tǒng)的設計計算 選擇脈沖當量 : 根據機床精度要求選擇脈沖當量 ， 縱向： ， 橫向： 。 算切削力 : 縱車外圓時主切削力 Fz（ N） 按經驗公式估算 ： Fz= =? 400 =5360N 陜西理工學院畢業(yè)論文（設計） 第 7 頁 共 41 頁 橫切端面時主切削力 Fz（ N） 可取縱向主切削力的 1/2： Fz==2680N 按切削力各分力比例 ： Fz： Fy： Fx=1： ： Fx=2680? =1072； Fy=2680? =670N； 滾珠絲 杠螺母副的計算和選型橫向進給絲杠 : 計算進給牽引力 Fm (N) 橫向導軌為燕尾形 ， 計算 ： Fm=? Fy+F（ Fz+2Fx+G） 其中 ： F為滑動導軌摩擦系數 ： G為溜板及刀架重力 ： G=600N Fm=? 670+?（ 2860+2? 1072+600） ? 1806（ N） 計算最大動負載 C： C=3L fw Fm ，其中： L=61060 Tn??； n=01000L Vs? 以上式中 ： L0 為滾珠絲杠導程 ， 初選： L0 =5mm； Vs為最大切 削力下的進給速度 ， 可取最高進給速度的 ： 1/21/3， 取 1/2； fw 為運轉系數 ， 按一般運轉取 ： fw =..5； 取 ； L為壽命 ， 106轉為 41單位 。 n=01000L Vs? = 5 ?? =30 L=61060 Tn??=610 150003060 ??=27 C=3L fw Fm = ??? N 選擇滾珠絲杠螺母副： 根據《機械設計師手冊》（機械工業(yè)出版社出版發(fā)行 ） 第一版 上冊 ， CDM 循環(huán)管式墊片預緊導珠管埋入型滾珠絲杠副的額定動載荷為 8541N可滿足要求 ， 選定精度為 3 級 傳動效率計算 ： 陜西理工學院畢業(yè)論文（設計） 第 8 頁 共 41 頁 ? ? ? ?39。39。 39。10334 334 ???? ? ?tg tgtg tg ?? ?? = 式中： ? 螺旋升 角（ CDM ）， 39。334??? ?摩擦角， 39。10?? 剛度驗算 橫向進給絲杠支承方式如橫向進給系統(tǒng)計算簡圖見下圖所示： 圖 2 橫向進給系統(tǒng)計算簡圖 最大牽引力為 ： 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： (1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1? ： 查圖 46， 根據 Ｆ ?m =1806Ｎ， mmD 200 ? 查出 ： 51 104/ ???L? 因此 : 1? = ? ?mmLL ????? ?? (2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 2? ： 查資料 ： mQ ?? ? ， 因進行了預緊 ： mQ ??? ???? . (3) 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形 3? : 采用 8012 單向推力球軸承 (GB30184) ， ?Qd ， 12?z ， mmd 15? mmZd mPcQ 3 23 2239。 ?????? 陜西理工學院畢業(yè)論文（設計） 第 9 頁 共 41 頁 考慮到進行了預緊 ， 以 ： mmC ?? ?? 綜合以上幾項變形量之和： mm0 2 6 9 0 4 0 2 4 1 8 ??????? ???? 顯然 ， 此變形量已大于定位精度的要求 !， 應該采取相應的措施修改設計 ， 因橫向溜板空間限制 ， 不宜再加大滾珠絲杠直徑 ， 故采用貼塑導軌減小摩擦力 ， 從而減小最大牽引力 。 重新計算如下： Fm=? Fy+F（ Fz+2Fx+G） = ? 670+?（ 2860+2? 1072+600） =1155N 從資料中查出 ， 當 Fm=1155時 ， 51 ???L? ， 因此 ，mmLL 251 ?? ??????? 2? 和 3? 不變 ， 所以綜合幾項變形量之和： mm0 1 9 7 0 4 0 2 4 1 0 ??????? ???? 此變形量仍不能滿足要求 ， 如果將滾珠絲杠再經過預拉伸 !剛度還可以提高四倍 ， 則 ， 321 ???????? ???? 此變形量可以滿足設計要求。 校核 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和 軸向拉壓振動固有頻率，其扭轉剛度影響扭轉固有頻率。承受軸向負荷的滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度 Ke由絲杠本身的拉壓剛度 KS，絲杠副內滾道的接觸剛度 Kc，軸承的接觸剛度 KB，螺母座的剛度 KH，按不同支承組合方式的計算而定。扭轉剛度按絲杠的參數計算。 （ 1） 臨界壓縮負荷 絲杠的支承方式對絲杠的剛度影響很大，采用兩端固定的支承方式并對絲杠進行預拉伸，可以最大限度地發(fā)揮絲 杠的潛能。所以設計中采用兩端固定的支承方式 [9]。 臨界壓縮負荷按下式計算： 211 m a x20cr f E IF K F NL??? () 式中 E—— 材料的彈性模量 E 鋼 =179。 1011(N/m2)； L0—— 最大受壓長度 (m)； K1—— 安全系數，取 K1=1/3； 陜西理工學院畢業(yè)論文（設計） 第 10 頁 共 41 頁 Fmax—— 最大軸向工作負荷 (N)； f1—— 絲杠支承方式系數； (支承方式為雙推 —— 雙推時，見下圖， f1=4，f2=) I—— 絲杠最小截面慣性矩 (m4)： 4420( 1 .2 )6 4 6 4 wI d d d??? ? ? ? () 式中 d0—— 絲杠公稱直徑 (mm)； dw—— 滾珠直徑 (mm)。 4 1 2 8 43 .1 4 ( 3 2 1 .2 3 .9 6 9 ) 1 0 2 .7 1 064Im ??? ? ? ? ? ? ? 絲杠螺紋部分長度 180 112 40 332uL mm? ? ? ?，取 350uL mm 支承跨距 1 400L mm? ， 絲杠全長 500L mm? 由公式 () 2 1 1 8m a x264 3 . 1 4 2 . 1 1 0 2 . 7 1 0 1 4 2 2 5 5 4 . 3 2 0 1 34 2 0 1 0 3 N F N??? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??cr F 可見 crF 遠大于 maxF ，臨界壓縮負荷滿足要求。 （ 2） 臨界轉速 222 2 22 m a x30 9910cr ccf f dEIn k nL A L??? ? ?