【正文】 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jl :Jl =J1 +Js 2221 )π2 4()π2( mmkgmPJ h ?????? 式中 , J1 — 工作臺(tái)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 , 式中 m是工作臺(tái)質(zhì)量， m = 60 kg。 m） 配用絲杠 mm 脈沖當(dāng)量 mm 出軸 110BC380C 5:3 16 4 短 表 37 JBF7A 步進(jìn)電機(jī) 外形尺寸及安裝尺寸 型號(hào) 電機(jī)型號(hào) D D1 D2 D3 L1 L2 L3 L4 H 出軸 JBF7A 110BC380C 110 20 40 285 218 90 28 185 短 而機(jī)床要求刀架快速移動(dòng)速度 : 12m/min, 最大進(jìn)給速度 : m/min, 起動(dòng)加速時(shí)間 : 30 ms。 3. 橫向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選擇計(jì)算 為了滿足最小步距及減速要求，綜合考慮通過轉(zhuǎn)矩與工作頻率，選用南京菁華數(shù)控工程有限公司生產(chǎn)的三相反應(yīng)式減速步進(jìn)電機(jī) JBF7A。 m)引起的導(dǎo)程變化量δ T： 鋼球和螺紋滾道產(chǎn)生的軸向變形δ a： MPass 4752355ζ5~3ζ]ζ[ ====M P a ) 1016(4)17π 1 0 4 94( )0 . 2 dT(4)πd4F(ζ23322231221=+=+=mmE FP h 100 9 0 0 41 0 4 94πd4EAFPδ 32321hF = ===mmFdT 100 0 2 ) a n (201 0 4 9211732π1 0 0 08 3 . 3π24 )ρλt a n (2π G J2Pπ G J2Pδ300420c2hc2hT=+=+==唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 25 式中， Kz — 載荷分布不均勻系數(shù)，與制造精度有關(guān)，通常取 Kz =～ ； Fao— 螺母預(yù)緊力， Fao≈ ； Σ Z— Z 圈內(nèi)的鋼球數(shù)， . 3 8 . 5 ∑W0z === 滾珠絲杠導(dǎo)程變形總量Σ δ ： 橫向滾珠絲杠剛度 KΣδ ： 即橫向滾珠絲杠剛度足夠，其剛度滿足要求。 按照第三強(qiáng)度理論有，轉(zhuǎn)矩 T 根據(jù)縱向滾珠絲杠軸的步進(jìn)電機(jī)選擇計(jì)算 (見后)得， T =16 N178。 轉(zhuǎn)速系數(shù) Kn： 基本額定載荷 Ca: (3)選擇滾珠絲杠的型號(hào) 根據(jù)計(jì)算的基本額定載荷 Ca≥ ，查表《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 G18— 4，選擇滾珠絲杠的型號(hào) CDM2020— 5— P4，即外循環(huán)端蓋式雙螺母墊片預(yù)緊右旋滾珠絲杠副，其公稱直徑為 Φ 20mm，導(dǎo)程為 4mm，滾珠列數(shù)為 列，精度等級(jí)為 4 級(jí) (一般數(shù)控機(jī)床精度等級(jí)為 4級(jí) )，額定動(dòng)載荷為 10639N[9]。 則可計(jì)算出切削力 Fc、進(jìn)給力 Ff、背向力 Fp 的值 切削力 Fc： 進(jìn)給力 Ff： 背向力 Fp： 切削功率 Pm ： 主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率 PE ： m in/ 1 0π 701 0 0 0πd1 0 0 0 rVn c = ==NKVfapCF FcncYXFcc FcFcFc ===0== Ffn F fcYXpFff KVfaCF FfFfNKVfaCF FpncYXpFpp FpFpFp ===KWVFP ccm 741010 33 =247。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。 根據(jù)以上設(shè)計(jì)，繪出縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的裝配圖見圖 JB07202003。 得： X=1， Y=。 表 34 滾珠絲杠副的支承結(jié)構(gòu) 序號(hào) 支承方式 支承結(jié)構(gòu) 特點(diǎn) 應(yīng)用 1 一端裝止推軸承（固定 自由式） 承載能力小，軸向剛度低 短絲杠，調(diào)整環(huán)節(jié)或升降臺(tái)的垂直坐標(biāo) 2 一端裝止推軸承一端裝深溝球 軸承（固定 支承式） 滾珠絲杠較長時(shí)，為減小絲杠熱變形影響，止推軸承的安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離熱源 3 兩端裝止推軸承 止推軸承再施加預(yù)緊拉力，有助于提高傳動(dòng)剛度。當(dāng)螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，可視為滑塊沿斜d m a xm a xm in /TωJT =mNTT Jd ?=== 402022m a xr a d / s π/ 6 0n 2 πω m a xm a x =247。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，縱向絲杠的左端軸承初選兩個(gè)成對(duì)的角接觸軸承，輕系列，內(nèi)徑 35mm，公稱接觸角 250，代號(hào)為 7207AC，右端軸承初選為調(diào)心球軸承，輕系列，內(nèi)徑 20mm，代號(hào)為 1204。因此，螺母座的孔與螺母之間必須保持良好的配合，并保證孔對(duì)端面的垂直度，螺母座應(yīng)增加適當(dāng)?shù)睦甙?，加大螺母座和機(jī)床結(jié)合的面積，以提高 螺母座的局部剛度和接觸剛度 [12]。 電機(jī)輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩 Tdmax，查《電機(jī)工程手冊(cè)》可知，在加速和減速過程中，按兩倍的額定 轉(zhuǎn)矩計(jì)算，即 即縱向最小機(jī)械時(shí)間常數(shù)滿足要求在 lms1000ms 之間 (查車床數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù) )。 ③ 摩擦附加力矩 Mo： ④ 快速空載起動(dòng)力矩 M： 因此，選用 20 N178。 mm2。 故步進(jìn)電機(jī)上安裝齒輪減速比 1:1 完全符合要求。 計(jì)算與校驗(yàn)如下： 負(fù)載 步進(jìn) 電機(jī) 功率放大器 脈沖 步進(jìn)控制器 方向控制 圖 步進(jìn)電機(jī)控制的組成 4~ 10200πλπ 23222=====FFcKNAEF c唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 17 表 33 JBF6 步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 電機(jī)型號(hào) 減速比 步距角 （176。其結(jié)構(gòu)如圖 所示，其主 要參數(shù)見表 33所示， 外形尺寸及安裝尺寸 見表 34所示。步進(jìn)控制器是由緩沖寄存器、環(huán)行分配器、控制邏輯及正、反轉(zhuǎn)控制門等組成。 經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證，縱向進(jìn)給選用滾珠絲杠 CDM4006— 5— P4，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。 m； 式中 ,ρ 為當(dāng)量 摩擦角， tanρ =00025， ρ =176。 MPa 27 .5)3 5 . 10 . 2 20(4)3 5 . 1π 24354( )0 . 2 dT(4)πd4F(ζ232223121 2=+=+=圖 CDM滾珠絲杠結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2121 )0 . 2 d(4)πd4(ζ 3TF +=唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 14 所以，? [? ]，即滾珠絲杠的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。 表 32 CDM40065P4型滾珠絲杠的具體參數(shù) 公稱直徑 基本導(dǎo)程 鋼球直徑 絲杠外徑 螺紋底徑 額定載荷（ KN） 剛度（ N/181。 轉(zhuǎn)速系數(shù) Kn： 基本額定載荷 Ca: (3— 7) 式中， KF、 KH、 KL— 分別為載荷系數(shù)、硬度系數(shù)、短行程系數(shù)，對(duì)中等沖擊，從《機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)表 10— 2 10— 2 10— 28查得， KF =～ ，取值 ；硬度最大為 60HRC 時(shí) KH 取值 ；行程系數(shù)最小為 1是 KL 取值 。 2. 縱向滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)歸結(jié)為滾珠絲杠副型號(hào)的選擇[7～ 8]。 (3)計(jì)算結(jié)果的比較 粗車和精車時(shí)切削力 Fc、進(jìn)給力 Ff、背向力 Fp 的計(jì)算結(jié)果見表 3l 所示。 查《機(jī)械工程手冊(cè)》第二版“機(jī)械制造工藝設(shè)備 (二 )表 得： CFc=2650； XFc=1； YFc=； nFc=； KFc=1； CFf=2880； XFf=1； YFf=； nFf=； KFf=1。 車削時(shí)總切削力分解為：切削力 Fc、進(jìn)給力 Ff、背向力 Fp。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 9 縱向進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì) 普通 車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改化造方案一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動(dòng)刀架左右移動(dòng)。 由于增量式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、精度易于保證，并且能 準(zhǔn)確測(cè)量出回轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)角速度，是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的優(yōu)先選擇，并且市場(chǎng)上該類產(chǎn)品很多，直接購買即可。主軸脈沖發(fā)生器的安裝，通常有兩種方式：一是同軸安裝，二是異軸安裝。根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量 , 縱向 : ；橫向 : mm/步。 3) 準(zhǔn)備工作就緒后，即可進(jìn)入改造的實(shí)施階段。 數(shù)控化改造步驟 1）對(duì)加工對(duì)象進(jìn)行工藝分析。 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的具體改造方案： 同縱向進(jìn)給系統(tǒng)改造相似，采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，原有的支撐結(jié)構(gòu)保留，步進(jìn)電機(jī)安裝在中拖板的后側(cè)。 ( 5 ) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇 : 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用原有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) , 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以采用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)。 ( 2 ) 車床縱、橫兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制 , 通常由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器控制的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)，由數(shù)控系統(tǒng)控制要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)。 6）數(shù)控系統(tǒng)要求 采用開環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中沒有反饋電路，不帶檢測(cè)裝置，指令信號(hào)單方向傳遞。所以，為滿足低摩擦要求，選用滾珠絲杠、螺母?jìng)鲃?dòng)副做傳動(dòng)和導(dǎo)向元件，可以直接選用減速步進(jìn)電機(jī)，以縮小傳動(dòng)鏈，提高系統(tǒng)剛度，并減少傳唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 6 動(dòng)鏈誤差。主軸后端安裝了同步運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖編碼器，用于加工螺紋時(shí)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給與主軸轉(zhuǎn)速的同步。因此，能夠極大地提高生產(chǎn)率。所以，本設(shè)計(jì)決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 （ 1）數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。如果設(shè)備只使用 3 年，以繼續(xù)使用原設(shè)備方案為最佳；如果使用 4～ 6 年，則對(duì)原設(shè)備進(jìn)行大修理的方案為佳；如果設(shè)備使用 6年以上到 8 年，則最佳方案是將原舊機(jī)床改裝為數(shù)控化機(jī)床；如果使用 9年以上，則可更將普通機(jī)床更換為全新數(shù)控機(jī)床為最佳方案。一般情況下，與現(xiàn)代化改造并存的可行方案有：繼續(xù)使用舊設(shè)備、舊設(shè)備大修理、原型設(shè)備更換和更新新設(shè)備。 普通車床數(shù)控化改造經(jīng)濟(jì)分析 根據(jù)對(duì)市場(chǎng)的調(diào)研，目前新經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，售價(jià) 萬 /臺(tái)，普通 新車床CA6140，售價(jià) 3． 8萬 /臺(tái)，使用壽命 8～ 10年，而已使用了 6～ 8 年的舊車床 CA6140，估價(jià) 萬 /臺(tái)， 通過改造還可使用 4～ 6 年。數(shù)控車床價(jià)格較昂貴，對(duì)于中小企業(yè)一次性投資購買大量數(shù)控車床是非常困難的，同時(shí)各企業(yè)有大量的普通車床，完全用數(shù)控車床替換根本不可能。 同時(shí)，增加新的數(shù)控系統(tǒng)及相應(yīng)的機(jī)械裝置大大提高了車床加工的精度和加工效率， 在投資少的情況下，既滿足 了 加工的需要，又提 了 高 車 床的自動(dòng)化程度 ，對(duì)我國這樣的一個(gè)機(jī)床大國是非常重要的 [1]。 普通車床 數(shù)控 化 改 造， 更換或修理磨損零件 ， 調(diào)試大型基礎(chǔ)零件 ， 提高 車 床的精度 ，同時(shí) 舍棄原有的進(jìn)給系統(tǒng) ， 用新的數(shù)控系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠 來替代 。 6）可充分利用現(xiàn)有的條件。 4）提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品率。具體來講，其改造優(yōu)點(diǎn)如下： 1）從提高資本效率出發(fā)，改造閑置的普通車床，能發(fā)揮舊機(jī)床的原有功能和改造后的新功能，提高普通車床的使用價(jià)值。 我們以 CA6140車床為例，對(duì)普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造設(shè)計(jì)分析。企業(yè)要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得生存、求得發(fā)展，就必須在最短的時(shí)間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本，制造出合乎市場(chǎng)需要的、性能合適的產(chǎn)品，而產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，制造周期的快慢，生產(chǎn)成本的高低，又往往受工廠現(xiàn)有加工設(shè)備的直接影響。 關(guān)鍵詞 ：普通車床 數(shù)控化改造 進(jìn)給系統(tǒng) 刀架 Numerical Control Innovation of mon lathes— the Design of Feeding System amp。設(shè)計(jì)選擇滾珠絲杠支承方式與相應(yīng)的軸承、步進(jìn)電機(jī)。數(shù)控化改造后的車床自動(dòng)化程度高，專業(yè)性強(qiáng)，加工精度及生產(chǎn)率高；適應(yīng)多品種、中小批量生產(chǎn)；數(shù)控改造費(fèi)用低，經(jīng)