【導(dǎo)讀】目前中國(guó)企業(yè)中機(jī)床設(shè)備老化，不能滿足新技術(shù)、新工藝的生產(chǎn)要求。提供了一種有效可行的途徑?，F(xiàn)有的Z5140A型臺(tái)式鉆床經(jīng)改造后提高了加工精度，擴(kuò)大了機(jī)床的使用范圍，本論文說明了普通鉆床的數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)過程，較詳盡地介。紹了Z5140A機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。機(jī)床整體能力達(dá)到預(yù)期的要求。Z5140A數(shù)控鉆床主要用于加工。各種孔及平面和曲面的銑削。它集中了立式鉆床和銑床的功能。少人工操作，也沒有機(jī)械操作元件如手柄、搖把等。全部工作循環(huán)是在微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)的。車削對(duì)象改變后，只需改變相應(yīng)。的軟件就可適應(yīng)新的需要。由于利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄造。但是受到原來機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。

　　

【正文】 00? ； SV — 最大切削力下的進(jìn)給速度，可取 最高切削進(jìn)給速度 v的（ 1/2～ 1/3） ，m/min； 見任務(wù)書。 39。hL — 預(yù)期工作時(shí)間（小時(shí)），查 [3]表 1522 數(shù)控機(jī)床 39。hL h15000? 。 絲杠 轉(zhuǎn)速 n= 103 101000???n = r/min，將 n和 mF 代入式（ 5） ????? 67 15 00 33 439。aC 查 [3]表 1524,FF 型滾珠絲杠副表中查到額定動(dòng)負(fù)荷 aC =50 KN，即滾珠絲杠副型號(hào)為 FFZD32105，公稱直徑 0d =32mm，基本導(dǎo)程 hP =10 mm。 （ 4）滾珠絲杠穩(wěn)定性驗(yàn)算 臨界載荷 212)( lEIF acr ??? N （ 6） 式中， E— 螺桿材料的彈性模量， E= 510? N/mm2 ； aI — 螺桿危險(xiǎn)截面的軸慣性矩 6441dIa ?? mm ? — 長(zhǎng)度系數(shù)，查 [3]表 157，按一端固定，一端鉸支， ? =； 2d — 絲杠底徑， mm， 2d = wDd ?0 ； 25 0d — 滾珠絲杠公稱直徑， mm； wD — 鋼球直徑， mm； 1l — 滾珠絲杠的螺紋全長(zhǎng)， mm， 1l ≈工作臺(tái)最大行程 + 螺母長(zhǎng)度 + 兩個(gè)安全行程 ≈工作臺(tái)最大行程 L+(8～14) hP ，工作臺(tái)最大行程 L 見任務(wù)書； 其中 aI ? ? 44 mm??? crF ?? 42 452 30 ??? ????? 則 ?mcrFF 4 ?? ， 按 [3]表 153，穩(wěn)定條件為 ?mcrFF ～ 4，所以，滿足穩(wěn)定性。 （ 5）滾珠絲杠剛度驗(yàn)算 按最不利情況考慮，即在螺距（應(yīng)為導(dǎo)程）內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起的彈性變形方向一致，此時(shí)變形量為最大，計(jì)算公式為 2242221 416EdPFGdPT hmhS ??? ?? mm （ 7） 式中， )ta n (201 vm dFT ?? ?? 導(dǎo)程角0arctan dPh?? ? ，滾動(dòng)摩擦系數(shù)為 ～ ，則滾珠絲杠的當(dāng)量摩擦角一般為 v? =1039。 ； 26 剪切彈性模量 G= 410? N/mm2 。 ? ? 10a r c t a n ??? 1T ? ? N1 1 0 8 a n166786 ??????? ? 每米螺桿長(zhǎng)度上的螺距的彈性變形小于允許變形 hSP? ? ? ? ? mm0 5 5 106 7 8 648 5 1 0 01 1 0 8 016 25242 ???? ?????? ??? hSP? = ? [hSP? ]P 按滾珠絲杠精度由 [3]表 158 查得。一般數(shù)控銑床的滾珠絲杠應(yīng)選 3 級(jí) ，[hSP? ]P =15 mm/? 。所以，滾珠絲杠剛度合格。 （ 6）效率計(jì)算 滾珠絲杠的傳動(dòng)效率 )tan(tan v?? ?? ?? ? 145tan ???? ?? 選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī) （ 1）傳動(dòng)慣量計(jì)算 因電機(jī)與滾珠絲杠直接相連，沒有齒輪傳動(dòng)，則絲杠傳動(dòng)時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 27 MIs JJJJ ??? 2mkg? （ 9） ①滾珠絲杠慣量 12140 ??? ldJ s kg 2m? ② 工 作 臺(tái) 質(zhì) 量 折 算 到 電 動(dòng) 機(jī) 軸 上 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 2)2( ?hI PGJ ? 2mkg? （ 10） ③電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 MJ 很小可忽略。 計(jì)算得： sJ ? ? 3124 3 0 ?? ?????? 2mkg? IJ 42 1060 ????????? ??? 2mkg? 帶入到（ 9）中算的： J 343 ??? ?????? 2mkg? （ 2）所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 0m a x MMMM fa ???啟 mN? 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 0at f tM M M M M? ? ? ?切 mN? 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 0fM M M??快 式中： maxaM — 空 載 啟 動(dòng) 時(shí) 折 算 到 電 動(dòng) 機(jī) 軸 上 的 加 速 度 力 矩 ，4m axm ax 109 .6a JnM T ???mN? ，maxn — 快速移動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速，hPvn 1000max ? r/min； v 和啟動(dòng)加速時(shí)間 T 見任務(wù)書。 28 maxaM ? 1 0 0 33 ??? ?? ?? mN? fM — 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩，30 102 hf FPM ?? ??? mN? ；導(dǎo)軌摩擦力GfF 39。0? ，摩擦系數(shù) 39。f 見 2) 39。f =～ ，估取傳動(dòng)鏈總效率 ? =～ 。 fM 1 4 1075 3 ???? ?? ?mN? 0M — 由于 絲杠 預(yù)緊 所引 起， 折算 到電 動(dòng) 機(jī)軸 上的 附加 摩擦 力矩 ，3200 10)1(2 ???? ??? hm PFM mN? ； 0? — 滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率，一般 0? ? ；進(jìn)給牽引力（軸向力） mF 見 3 中 2)。 0M ? ? 106 7 8 6 32 ?????? ?? ?mN? atM — 切削時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速度力矩 ， JnM T ???mN? ；切削時(shí)的轉(zhuǎn)速ht Pvn 1000? r/min，切削速度 v 見任務(wù)書。 atM ? 33 ??? ?? ?? mN? tM — 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩， 3102 ??? ?? hZt PFM mN? ；鉆削進(jìn)給分力 ZF 見 2。 tM 103 0 0 0 3 ???? ?? ?mN? （ 3）選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 29 分別計(jì)算出 啟M 、 切M 和 快M ， 選數(shù)值最大的力矩作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù) 。在上述 3 種工況下，以快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩最大， 啟M =178。 m。 查資料，根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)過載系數(shù) ? 選取如表所示。 電機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)過載系數(shù) ? 運(yùn)行方式 相數(shù) 3 3 4 4 5 5 6 6 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 ? 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)以三相六拍工作時(shí) ?? ， 需要的最大靜轉(zhuǎn)矩 ?/max 啟MM j ? ?? Nm 查 [1]，在 110BF003 型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)中可查得其最大靜轉(zhuǎn)矩178。m ，大于所需要的最大靜轉(zhuǎn)矩 maxjM ，可以作為初選型號(hào)，但還須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)特性。 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率 maxmax 100060Vf ?? Hz maxV 和 ? 見任務(wù)書。計(jì)算出 maxf =，從資料中查得 110BF003 型步進(jìn)電機(jī)的 空載起動(dòng)頻率 1500Hz ，小于所需步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率 maxf ，直接使用110BF003 型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)和停止時(shí)容易產(chǎn)生失步相象，所以必須采取升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)）。 30 電主軸選用、冷卻與潤(rùn)滑 電主軸的概述 由于高速加工不但可以大幅 度提高加工效率，而且還可以顯著提高工件的加工質(zhì)量，所以其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，特別是在航空航天、汽車和模具等制造業(yè)中。于是，具有高速加工能力的數(shù)控機(jī)床已成為市場(chǎng)新寵。目前，國(guó)內(nèi)外各著名機(jī)床制造商在高速數(shù)控機(jī)床中廣泛采用電主軸結(jié)構(gòu)，特別是在復(fù)合加工機(jī)床、多軸聯(lián)動(dòng)、多面體加工機(jī)床和并聯(lián)機(jī)床中。電主軸是高速數(shù)控加工機(jī)床的 “ 心臟部件 ” ，其性能指標(biāo)直接決定機(jī)床的水平，它是機(jī)床實(shí)現(xiàn)高速加工的前提和基本條件。 如圖（ ）。 31 圖 電主軸圖 （ 1）電主軸的工作原理 電主軸就是直接將空心的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝在主軸上，定子通過冷卻套固定在主軸箱體孔內(nèi)，形成一個(gè)完整的主 軸單元，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn) 。高速電主軸電機(jī)的繞組相位互差 120176。 , 通以三相交流電后 , 三相繞組各自形成一個(gè)正弦交變磁場(chǎng) , 磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速就是電主軸的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 n 由輸入電機(jī)定子繞組電流的頻率 f 和電機(jī)定子的極對(duì)數(shù) P 決定 ( n = 60f / P) 。電主軸就是利用變換輸入電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流的頻率和激磁電壓來獲得各種轉(zhuǎn)速。改變電主軸輸入電流的相序 , 便可改變電主軸的旋轉(zhuǎn)方向。 （ 2）電主軸的基本參數(shù) 32 電主軸的基本參數(shù)和主要規(guī)格包括：套筒直徑、最 高轉(zhuǎn)速、輸出功率、計(jì)算轉(zhuǎn)速、計(jì)算轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩和刀具接口等。其中計(jì)算轉(zhuǎn)速又稱額定轉(zhuǎn)速，是指恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)與恒功率驅(qū)動(dòng)的交匯點(diǎn)，參見圖 1和圖 2。它相當(dāng)于圖 2中的 A 點(diǎn)， aP／ b于計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，大于計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)為恒功率驅(qū)動(dòng)。計(jì)算轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩為轉(zhuǎn)速小于和等于計(jì)算轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩。一般電主軸型號(hào)中含有套簡(jiǎn)直徑、最高轉(zhuǎn)速和輸出功率這 3個(gè)參數(shù)。 （ 3）電主軸的發(fā)展趨勢(shì) 隨著機(jī)床技術(shù)、高速切削技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的需要，人們對(duì)機(jī)床電主軸的性能也提出了越來越高的要求，電主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：