【正文】 文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已 在文中作了明確的說明并表示了謝意。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 涉密論文按學校規(guī)定處理。根據(jù)普通車床的加工能力，對車床的主軸箱進行部分改造并簡要說明。根據(jù)所改造的性能和精度指標來選配合適的數(shù)控裝置系統(tǒng)。 adapt to the multispecies, middle and small batch production。購買新的數(shù)控車床是提高車床數(shù)控化率的主要途徑，但是成本太高，很多中小企業(yè)在短時間內(nèi)無法籌集大量資金；同時目前大多數(shù)企業(yè)還有數(shù)量眾多，而且還具有較長使用壽命的普通車床，由于普 通車床加工精度相對較低、不能批量生產(chǎn)，生產(chǎn)的自動化程度不高，生產(chǎn)自適應性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性和轉(zhuǎn)型周期，又不能馬上淘汰。 通過普通車床的數(shù)控化改造 ,投入較少的資金但能達到經(jīng)濟型數(shù)控車床的使 用效果 , 其社會意義和經(jīng)濟效益是不可估量的 。 3）適合于多品種、中小批量產(chǎn)品的的自動化加工，對產(chǎn)品的適應性強。 5）機械性能穩(wěn)定可靠，改造所利用的普通車床床身是重而堅固的鑄造構(gòu)件，唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 2 而不是焊接構(gòu)件，改造后的機床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設備繼續(xù)使用多年。 7）增加了功能，如圓弧加工、錐度加工，甚至更復雜輪廓的加工，這是傳統(tǒng)加工方法難以實現(xiàn)的。若 車 床的數(shù)控 化 改造的總費用僅為同類型車床價格 的 50%～ 60% 時 ,該 車 床數(shù)控 化 改造在經(jīng)濟上適宜。數(shù)控車床可以較好地解決形狀復雜、精密、小批及多變零件的加工問題。 許多 企業(yè) 一面購置數(shù)控 車 床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、 PC 技術(shù)改造普通 車 床，并取得了良好的經(jīng)濟效益。因此需要對普通車床的數(shù)控化改造進行經(jīng)濟性分析 [3]。各種方案的設備使用總成本，根據(jù)《機械工程手冊》的“經(jīng)濟性分析” ，對于普通車床使用各方案投資成本及生產(chǎn)率以及各年使用成本見表 11所示。 表 11 各種更新方案的投資和各年使用費用 （萬元） 序號 可行方案 基本投資 勞動生產(chǎn)率系數(shù) 各年使用費用 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 舊車床繼續(xù)使用 0 1 2 2 更換為全新普通車床 1 3 更換為全新數(shù)控車床 4 改裝為數(shù)控車床 5 舊車床大修理 將上表中的數(shù)據(jù)代入各方案計算公式得到各方案逐年使用成本見表 12。 （ 2）伺服進給系統(tǒng)的改造設計 數(shù)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。刀架能在換刀點自動改變四個刀位完成換刀功能，刀架旋轉(zhuǎn)和換刀是通過數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的可編程控制器控制三相異步電機來實現(xiàn)。 1）車床的結(jié)構(gòu)改造要求 主軸仍采用原有的變速系統(tǒng)，主軸箱內(nèi)拆除與進給箱相連的齒輪，進給系統(tǒng)由步進電動機驅(qū)動。 3）床身的結(jié)構(gòu)布局要求 床身是車床主要承載部件，本改造采用原有的平床身，因為平床身是在普通車床上稍加改造而成的，價格相對較低，而目它的工藝性好，加工方便，并且刀架處于水平位置，易于保證刀具運動精度。選用兩步 進電機分別驅(qū)動縱向和橫向的滾珠絲杠以實現(xiàn)進給運動。 改造方案確定 本設計屬于經(jīng)濟型數(shù)控化改造，基本原則是在滿足使用要求的前提下，對車床的改動盡可能少。刀架旋轉(zhuǎn)和換刀是通過數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的可編程控制器控制三相異步電動機來實現(xiàn)。綜合考慮機床性能及經(jīng)濟性要求，選用開環(huán)控制的步進電機作為縱向進給運動的動力源。本設計自動回轉(zhuǎn)刀架采用電動四方刀架，且要求選取的自動回轉(zhuǎn)刀架必須 具有良好的強度和剛度，以承受粗加工的切削力，同時保證回轉(zhuǎn)刀架每次轉(zhuǎn)位的重復定位精度 [4]。 2） 分析被改造機床，確定改造類型。改造的后期工作也很重要，驗收工作應按已制定的驗收標準進行，主要包括機床機械性能的驗收，電氣控制功能和控制精度的驗收，試件切削驗收。這樣既保留了 車床的原有功能，又減小了改造量。因主軸直徑較大且其結(jié)構(gòu)復雜，常采用異軸安裝。而數(shù)控車床進給系統(tǒng)承擔了數(shù)控車床各直線坐標軸、回轉(zhuǎn)坐標軸的定位和切削進給，進給系統(tǒng)的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性直接影響被加工件的最后輪廓精度和加工精度。減速步進電機的布置，可放在絲杠的任意一端，對改造來說，外觀不必像產(chǎn)品設計要求那么高，而從改造方便、使用方面來考慮，將其設在縱向絲杠的左端，即車床主軸箱前部，如圖 所示 [5～ 6]。加工零件的最大直徑 d=400mm，主軸最大轉(zhuǎn)速 n=1400r/min，刀具選擇 YT5 和 YTl5 硬質(zhì)合金焊接式車刀。 則可計算出切削力 Fc、進給力 Ff、背向力 Fp 的值 切削力 Fc： 進給力 Ff： F c F c F cc X Y nc F p F cF C a f V c K=F f F f F ff X Y nf F p F fF C a f V c K=F p F p F pX Y np F p p F pF C a f V c K=m in/ 1 0π 701 0 0 0πd1 0 0 0 rVn c = ==NKVfapCF FcncYXFcc FcFcFc 0 .1 ===NKVfaCF Ffn FfcYXpFff FfFf 0 . ===唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 11 背向力 Fp： 切削功率 Pm ： 主傳動電動機功率 PE ： 即 CA6140 普通車床提供的主傳動電機功率 滿足粗車要求。==KWKWPP mmE ===m in/ 1 14 0 0π 1 4 01 0 0 0π1 0 0 0 rd Vn c = ==NFNFNFpfc 0011 95 0 9711 88 0 69 811 65 00 . 0 . 0 . 1 ======KWVFP ccm 33 =247。 K — 傾覆力矩影響系數(shù)，三角形和矩形導軌 K =～ 。( )f c pF K F f F F G= + + +KNFKKKKKC LHFnha ≥ ==N 24 35 . 0 014 70 )10 73 . 7 8( 28 87 . 850. 1812 67 . 2 61. 15 F =+++=唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 13 選擇滾珠絲杠的型號 CDM4006— 5— P4，即外循環(huán)端蓋式雙螺母墊片預緊右旋滾珠絲杠副，其公稱直徑為 Φ 40mm，導程為 6mm，滾珠列數(shù)為 列，精度等級為 4 級 (一般數(shù)控機床精度等級為 4 級 )，額定動載荷為 28772N。 按照第三強度理論有： (3— 8) 轉(zhuǎn)矩 T根據(jù)滾珠絲杠步進電機選擇計算 (見后 3)得， T=20 N178。 滾珠絲杠截面積： 則： 滾珠絲杠受扭矩 T(N178。 (6) 滾珠絲杠穩(wěn)定性計算 對于經(jīng)濟性數(shù)控機床，滾珠絲杠為長絲杠 (長度為 1500mm)，選用一端固定一端游動作為支承，其費用比較低廉，結(jié)構(gòu)簡圖如圖 所示。典型的步進電機控 制系統(tǒng)如圖 所示。功率放大器的作用是把控制器輸出的環(huán)行脈沖加以放大 , 以驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。定位精度：177。 m） 配用絲杠 mm 脈沖當量 mm 出軸 130BC3100A 1:1 20 6 長 表 34 JBF6 步進電機 外形尺寸及安裝尺寸 型號 電機型號 D D1 D2 D3 L1 L2 L3 L4 H 出軸 JBF6 130BC3100A 130 40 80 320 250 5 90 190 長 （ 1） 計算降速比 i: 式中， α — 步進電機的步距角，176。 J1 — 工作臺折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 , 6 0 6 0α === hPiMsMl JJJJJJ ++=+= 12221 )π26()π2( mmkgmPJ h ?===圖 JBF6步進電機結(jié)構(gòu) 圖 JBF步進電機 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 18 式中， m — 工作臺質(zhì)量， m≈ 80 kg。 （ 3） 電動機力矩計算 機床在不同的工況下 , 所需轉(zhuǎn)矩不同 , 下面分別按各階段計算 : ① 加速力矩 Ma： ② 摩擦力矩 Mf： 式中η為傳動鏈總效率取 ； Fo 為導軌靜摩擦力， Fo =3000179。 （ 4） 最小機械時間常數(shù) Tmin : ( 312 ) mmkgmrJ s?==== / 4614162 1 0 0 01 =+=+= sMlM JJ JJJmNTnJM ra ?= == mNPFM hof ?= == . 8π2 η i2 33mNFPM h ?= == )0 . 91(10 . 8π2 62 4 3 510)η1(π η i2 323200mNMMMM fa ?=++=++= m inm a xm a xm a x ωdtω TJdJT d ==唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 19 ( 313 ) 式中， J — 總的轉(zhuǎn)動慣量。 4. 縱向進給軸承選擇計算 滾珠絲杠副的正確安裝及支承，對結(jié)構(gòu)的剛度影響很大。 設計所選縱向滾珠絲杠的支承形式為一端固定一端游動，如圖 ，左端是兩個角接觸球軸承，右端是一個調(diào)心球軸承組成的支承結(jié)構(gòu)，可滿足支承要求。 (1) 縱向滾珠絲杠軸承的受力分析 將螺母視為滑塊，其上有軸向載荷，假定集中作用于中徑圓周上。 (2) 縱向軸承的壽命計算 1) 軸承的軸向力計算 向心角接觸球軸承在承受徑向載荷 Fr 的作用下，將產(chǎn)生使軸承內(nèi)、外圈分離的附加派生軸向力 Fd，對于α =25176。 得： X=1， Y=。 如果按一天工作 16 小時，一年工作 300 天 ，此軸承可以使用 11 年，故所選軸承合適。步進電機安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進電機和機床大拖板連接起來，并要保證其同軸度，提高傳動精度。 查《機械工程手冊》第二版“機械制造工藝設備 (二 )表 得： CFc=3600； XFc=； YFc=； nFc=0； KFc=1； CFp=1390； XFp=； YFp=； nFp=0； KFp=1。 2. 橫向滾珠絲杠設計計算 同縱向滾珠絲杠 副的設計相同，滾珠絲杠副的設計即為滾珠絲杠副型號的選擇。 KWKWPP mmE ===33 15000 3 .1 15 0 0 5 0 0hh LK = = =333 3 . 3 3 3 . 3 0 . 8 163nK n===KNFKKKKKC LHFnha 14 ≥ ==NGFfKFF cp 0 4 9)4 9 3 7 4( 2 )( =++= +′+=唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 24 表 35 CDM20205P4型滾珠絲杠的具體參數(shù) 公稱直徑 基本導程 鋼球直徑 絲杠外徑 螺紋底徑 額定載荷（ KN） 剛度（ N/181。 所以，? [? ]，即滾珠絲杠的強度滿足設計要求。 計算滾珠絲杠柔度λ： 計算臨界載 荷 Fc： 即縱向滾珠絲杠穩(wěn)定性足夠。 表 36 JBF7A 步進電機參數(shù) 電機型號 減速比 步距角 （176。 。 mm2。 ③ 摩擦附加力矩 Mo： mNFPM h ??????? ???? )0 . 91(10 . 8π2 41 4 0 910)η1(π η i2 323200 ④ 快速空載起動力矩 M： mNMMMM fa ??????。 （ 2） 電動機力矩計算 機床在不同的工況下 , 所需轉(zhuǎn)矩不同 , 下面分別按各階段計算 : ① 加速力矩 Ma： mNTnJM ra ??? ??? ② 摩擦力矩 Mf： mNPFM hof ?????? ????? . 8π2 0 0 010π η i2 33 式中η為傳動鏈總效率取 ； F0 為導軌靜摩擦力， F0 =2020179。 （ 1） 轉(zhuǎn)動慣量計算 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上總的轉(zhuǎn)動慣量 J：