【正文】 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 緒論 隨著我國(guó)生產(chǎn)技術(shù) 進(jìn)步，在機(jī)械制造業(yè)中，數(shù)控機(jī)床越來(lái)越受到企業(yè)的歡迎。企業(yè)一方面投入大量資金購(gòu)買(mǎi)數(shù)控車(chē)床，另一方面更新改造現(xiàn)有普通機(jī)床，通過(guò) 為普通機(jī)床添加數(shù)控裝置，將普通機(jī)床改造成數(shù)控機(jī)床，這是許多中小型企業(yè)面臨的重要技改措施。 數(shù)控機(jī)床能夠適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品多樣化 、高精度的要求。因此得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是，商品化的數(shù)控機(jī)床價(jià)格高，一致于推廣應(yīng)用受到限制，而我國(guó)又現(xiàn)存有大量的普通機(jī)床，利用較先進(jìn)的數(shù)控 系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有普通機(jī)床進(jìn)行技術(shù)改造，對(duì)提高我國(guó)機(jī)械行業(yè)的數(shù)控加工技術(shù)具有 更重要意義。數(shù)控機(jī) 床是衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造業(yè)水平的重要指標(biāo)。根據(jù)我國(guó)機(jī)床擁有量大，生產(chǎn) 規(guī)模小的具體國(guó)情，將普通機(jī)床通過(guò)數(shù)控化改造為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床是我國(guó)機(jī)械工業(yè)技術(shù)改造的這樣目標(biāo)。但從我國(guó)目前機(jī)械工業(yè)制造水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距較大， 而且從目前企業(yè)所面臨的情況看，因數(shù)控機(jī) 床價(jià)格較貴，一次性投資較大，使企業(yè)心有余而力不足。 因此，我國(guó)作為機(jī)床大國(guó)。對(duì)普通機(jī)床數(shù)控化改造作為一種良好的有效途徑。這樣機(jī)床改造花費(fèi)少，改造設(shè)計(jì) 針對(duì)性強(qiáng)、時(shí)間短，改造設(shè)計(jì) 后的機(jī)床大多能夠克服機(jī)床的缺點(diǎn)和存在的問(wèn)題，生產(chǎn)效率高。 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 1 機(jī)械部分改造的設(shè)計(jì)及計(jì)算 課題的來(lái)源與意義： 社會(huì)發(fā)展的今天，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展非常迅速突出，普通機(jī)床已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新?lián)Q代不僅資金投入大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大浪費(fèi)。所以最簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)的辦法就 是進(jìn)行數(shù)控化改造。數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好的解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問(wèn)題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度 地提高生產(chǎn)效率。但從我國(guó)目前機(jī)械工業(yè)制造水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距較大，而且從目前企業(yè)所面臨的情況看，因數(shù)控機(jī) 床價(jià)格較貴，一次性投資較大，使企業(yè)心有余而力不足。因此，我國(guó)作為機(jī)床大國(guó)。對(duì)普通機(jī)床數(shù)控化改造作為一種良好的有效途徑。這樣機(jī)床改造花費(fèi)少，改造設(shè)計(jì) 針對(duì)性強(qiáng)、時(shí)間短，改造設(shè)計(jì) 后的機(jī)床大多能夠克服機(jī)床的缺點(diǎn)和存在的問(wèn)題，生產(chǎn)效率高。 總體方案的確定： 根據(jù)改造設(shè)計(jì)內(nèi)容確定方案。有設(shè)計(jì)內(nèi)容可知，該 C616 車(chē)床的改造設(shè)計(jì)是將原機(jī)床中手動(dòng)進(jìn)給裝置改裝成有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用微機(jī)控制步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)來(lái)完成數(shù)據(jù)的處理運(yùn)動(dòng)控制。由此可見(jiàn)改造設(shè)計(jì)以后的車(chē)床具有一定的數(shù)控機(jī)床功能和特點(diǎn)，大大提高了車(chē)床的數(shù)控化程度和生產(chǎn)效率，是一種經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床。翻閱查看 C616車(chē)床是一種小型的車(chē)床，床身最大工件回轉(zhuǎn)直徑 320mm 加工工件最大長(zhǎng)度 750mm，主要用于加工中小型類(lèi)零件。根據(jù)我們的設(shè)計(jì)內(nèi)容要求參考數(shù)控機(jī)床的改造設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)確定如圖 11 12 所示總體改造方案。 圖 1— 1 總體改造方案 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 圖 1— 2 C616普通車(chē)床的數(shù)控改造方案圖 齒輪 5. 減速齒輪 6. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 該方案中以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，采用開(kāi)環(huán)伺服控制，無(wú)檢測(cè)反饋機(jī)構(gòu)，具有結(jié)簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便，可靠性高，制造成本低等一系列的優(yōu)點(diǎn)。 從設(shè)計(jì)題目中可知，我們改造設(shè)計(jì)的是基于 C616 車(chē)床的橫向伺服進(jìn)給單元機(jī)電一體化改造設(shè)計(jì)。所以針對(duì)橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行如下改造： ① 拆除原機(jī)床進(jìn)給箱的安裝孔和銷(xiāo)孔安裝齒輪箱， ② 拆除原絲杠安裝滾珠絲杠并仍然安裝在原絲杠的位置，兩端采用原固定方式， 這樣可以減小裝配現(xiàn)場(chǎng)，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而是橫向進(jìn)給整體的剛性提高，優(yōu)勝于以前的， ③ 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用二級(jí)齒輪減速，并用雙片齒輪銷(xiāo)齒法消除間隙。 其余部分的改造設(shè)計(jì)盡量按照原機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改裝的部位，以降低生產(chǎn)成本，節(jié)約改造生產(chǎn)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。 滾珠絲杠副的計(jì)算和選型 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型的內(nèi)容包括 :運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算、傳動(dòng)比的分配、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、等效轉(zhuǎn)矩等計(jì)算 .計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 13: 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 圖 1— 3進(jìn)給伺服系統(tǒng) 機(jī)械部分的計(jì)算 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是指一個(gè)進(jìn)給脈沖使車(chē)床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量 ,它是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù) .因此脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)床精度來(lái)確定 .對(duì)于經(jīng)濟(jì)車(chē)床來(lái)說(shuō)橫向采用的脈沖當(dāng)量為 切削力計(jì)算 在進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)的計(jì)算過(guò)程中 ,選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)都需要用到切削力 (機(jī)床的主要負(fù)載 ),則可用公式計(jì)算出車(chē)床切削力 最大切削功率 (或轉(zhuǎn)矩 ) =P 主 η 式中 P 主 .......主電動(dòng)機(jī)的功率 ,C616 車(chē)床 P 主 =8 kw η .......主傳動(dòng)系統(tǒng)的總功率一般為 ～ 取η = 則 P 切 =(8ｘ ) kw= kw 切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力 (或轉(zhuǎn)矩 )和最大切削速度 (或轉(zhuǎn)矩 )來(lái)計(jì)算 ,即 : P 主 = cF ν 310 /60 式中 cF —— 主切削力 ( N ) ν —— 最大切削速度 (m/min).按用硬質(zhì) 合金刀具半精車(chē)鋼件是的速度取ν =100m/min cF = 60 ? ? 310 /100 = 3840( N ) 在一般情況外圓車(chē)削時(shí) , fF =(~) cF 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 pF =(~) cF 取 fF = cF = pF = cF = 滾珠絲杠副的選擇和性能驗(yàn)算 ,橫向進(jìn)給 為綜合型導(dǎo)軌 ,由公式可得絲杠軸向進(jìn)行切削 ,其中 k= , 39。f = 則 : mF = k fF + 39。f ( cF +W) 式中 cF . fF . pF —— 切削分力 ( N ) W—— 移動(dòng)部件的重量 ( N ) 39。f —— 導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) ,隨導(dǎo)軌型式不同而不同 K—— 考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) 即 mF =[ ?+?(3840+200)]N= 最大切削力下的進(jìn)給速度 sv 可取最高進(jìn)給速度的 1/2～ 1/5,取為 1/速度為 2m/min,絲杠導(dǎo)程選取 6mm,則絲杠轉(zhuǎn)速為 : n = 1000sv / 0L = 1000? 2/6 = 絲杠使用的壽命時(shí)間 取為 T = 15000h,則絲杠的計(jì)算壽命 L為 : L = 60nt/ 610 = 60?? 15000/ 610 = 300 ( 610 ) 根據(jù)工作負(fù)載 mF 、壽命 L,按公式計(jì)算滾珠絲杠副承受 的最大的動(dòng)載荷 mC 取wf = af = 1 mC =3L mF wf / af =3300 ?? =22220N 由當(dāng)量載荷 mC ,從手冊(cè)或樣本的滾珠絲杠系列表中初選滾珠絲杠的型號(hào)和有關(guān)參數(shù) .選用是要注意公稱直徑 0d 和導(dǎo)程 0L 應(yīng)用優(yōu)先組合，同時(shí)還需要滿足數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)承的要求。同時(shí)還受 最大靜載荷的影響和限制，因當(dāng)滾珠絲杠在靜態(tài)或低速 (n≤ 10r/min)情況下工作時(shí)，滾珠絲杠副的破壞形式主要是滾珠與滾道型面在接觸點(diǎn)上產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)塑性變形超過(guò)一定限度就會(huì)使?jié)L珠絲杠副無(wú)法正常工作。一般允許其塑性變形量不超過(guò)滾珠直徑的萬(wàn)分之一。此時(shí)的軸向負(fù)載 oaC 稱為額定靜載荷。選用時(shí)應(yīng)將相應(yīng)的滾珠絲杠的額定靜載荷 oaC 滿足以下條件： maxF =f oaC / sf 式中 maxF —— 滾珠絲杠的最大軸向工作載荷； sf —— 靜態(tài)安全系數(shù)。一般 sf ≤ 1～ 2,有沖擊時(shí) sf =2～ 3 由 mC 參照表查出該滾珠絲杠型號(hào)為 W5006外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副。 1列 3圈，其額定動(dòng)負(fù)載為 24000N，強(qiáng)度足夠應(yīng)，精度選用 5級(jí)，其幾何參數(shù)如下： 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 公稱直徑 0d =50mm，導(dǎo)承 0L =6mm，螺紋升角 v=arctg 0L /π 0d =2176。11 ′繭 鋼球直徑為，螺桿內(nèi)徑為 。 滾道半徑 R為： R=?= 偏心距為： e=（ R 0d /2） =（ ） =? 310? mm 螺桿內(nèi)徑： 1d = 0d +2e2R=50?2?? 310? 2? = 傳動(dòng)效率 滾動(dòng)絲杠副的傳動(dòng)效率可用下式計(jì)算。 η =tgr/tg（ r+Φ ） 式中 r—— 絲杠的螺旋升角 176。 Φ —— 摩擦角。滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)因數(shù) f=，摩擦角約等于 10′ 即 η =tg2176。11 ′ /tg(2176。11 ′ +10′ )≈ 橫向進(jìn)給滾珠絲扛支承方式如前圖所示，支承間距 L=400mm，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行了預(yù)緊，預(yù)緊力的最大軸向負(fù)載荷的 1/3，絲杠的變形量計(jì)算如下： 滾珠絲杠截面積按絲杠螺紋的底徑確定 A=π/4 ?= 工作載荷 mF 引起導(dǎo)程 0L 的變化量 Δ 0L 可用下式計(jì)算 Δ 0L =177。 mF 0L /EA=?6/20? 104? =? 410? mm 式中 E—— 絲杠材料的彈性模量，對(duì)鋼 E=? 1011N/ 2m 則絲杠的拉伸或壓縮變形量 1? ： 1? =Δ 0L / 0L L =? 410? /6? 1500=? 210? mm 由于兩端均采用角接觸球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)緊故其拉壓剛度可比一端固定的絲杠提高 4倍。 其實(shí)際變形量為 1? 39。=1/41? =? 210? mm 滾珠與螺紋通道間接觸變形 2? = mF / 23 oyd FZ? = 式中 mF —— 軸向工作載荷（ N）； yF —— 預(yù)緊力（ N） wd —— 滾珠直徑（ mm）； 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 Z? —— 滾珠數(shù)量， Z? =Z?j?k其中 j為圈數(shù)， k為列數(shù)， Z每圈螺紋滾道內(nèi)的滾珠數(shù)： 外循環(huán)時(shí) Z=π 0d / wd ；內(nèi)循環(huán)時(shí) Z≈ π 0d / wd 3 0d —— 滾珠絲杠公稱直徑（ mm）； 因絲杠加有預(yù)緊力；且預(yù)緊力為軸向最大負(fù)載的 1/3時(shí) , 2? 可減少一半，因此實(shí)際變形量為： 2? ′ =? 210? mm 支承滾珠絲杠的軸承為 8209型推力球軸承，幾何參數(shù)為 1d =45mm，滾動(dòng)體直徑Qd =，滾動(dòng)體數(shù)量 QZ =20軸承的軸向接觸變形 3? 為： 3? = 23 2mFdz 式中 mF —— 軸承所受軸向載荷（ N）； Qz —— 軸承的滾動(dòng)體數(shù)目； Qd —— 軸承的滾動(dòng)體直徑；即 3? = 23 2mFdz = 23 20? = 注意：此公式 mF 的單位為 Kgf 因施加預(yù)緊力故實(shí)際變形量 3? ′ =1/2 3? =1/2?= 根據(jù)以上計(jì)算總變形量為： δ= 1? ′ + 2? ′ +3? ′ =（ ++） mm= 五級(jí)精度絲杠允許邏輯誤差為 27μm/m ，故剛度足夠 因?yàn)闈L珠絲杠的兩端都采用推力球軸承并預(yù)緊，因此不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需要作穩(wěn)定性校核 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 。 傳動(dòng)比的計(jì)算 根據(jù)給定的橫向進(jìn)給的脈沖當(dāng)量 ，滾珠絲杠導(dǎo)程 0L =6mm，及初選的步進(jìn)電機(jī)步距角 ?，可計(jì)算出傳 動(dòng)比 i： 161。=360δ/θ 0L 式中 δ —— 脈沖當(dāng)量（ mm/步）； 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 0L —— 滾珠絲杠導(dǎo)程（ mm