【正文】 簡圖 2121 )0 . 2 d(4)πd4(ζ 3TF +=唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 14 所以，? [? ]，即滾珠絲杠的強度滿足設(shè)計要求。 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。 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。( )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(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 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(yù)緊右旋滾珠絲杠副，其公稱直徑為 Φ 40mm，導(dǎo)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。 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)，對中等沖擊，從《機械傳動裝置設(shè)計手冊》上冊表 10— 2 10— 2 10— 28查得， KF =～ ，取值 ；硬度最大為 60HRC 時 KH 取值 ；行程系數(shù)最小為 1是 KL 取值 。 K — 傾覆力矩影響系數(shù)，三角形和矩形導(dǎo)軌 K =～ 。 2. 縱向滾珠絲杠設(shè)計計算 滾珠絲杠副已經(jīng)標準化，因此滾珠絲杠副的設(shè)計歸結(jié)為滾珠絲杠副型號的選擇[7～ 8]。==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。 (3)計算結(jié)果的比較 粗車和精車時切削力 Fc、進給力 Ff、背向力 Fp 的計算結(jié)果見表 3l 所示。 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(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 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。 查《機械工程手冊》第二版“機械制造工藝設(shè)備 (二 )表 得： CFc=2650； XFc=1； YFc=； nFc=； KFc=1； CFf=2880； XFf=1； YFf=； nFf=； KFf=1。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。 車削時總切削力分解為：切削力 Fc、進給力 Ff、背向力 Fp。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(shè)計要求那么高，而從改造方便、使用方面來考慮，將其設(shè)在縱向絲杠的左端，即車床主軸箱前部，如圖 所示 [5～ 6]。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 9 縱向進給系統(tǒng)改造設(shè)計 普通 車床的經(jīng)濟型數(shù)控改化造方案一般是步進電機經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架左右移動。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。 由于增量式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)簡單、價格低、精度易于保證，并且能 準確測量出回轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)角速度，是經(jīng)濟型數(shù)控機床的優(yōu)先選擇，并且市場上該類產(chǎn)品很多，直接購買即可。因主軸直徑較大且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常采用異軸安裝。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。這樣既保留了 車床的原有功能，又減小了改造量。根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量 , 縱向 : ；橫向 : mm/步。改造的后期工作也很重要，驗收工作應(yīng)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。 3) 準備工作就緒后，即可進入改造的實施階段。 2） 分析被改造機床，確定改造類型。 數(shù)控化改造步驟 1）對加工對象進行工藝分析。本設(shè)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(fù)定位精度 [4]。 橫向進給機構(gòu)的具體改造方案： 同縱向進給系統(tǒng)改造相似，采用步進電機帶動滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，原有的支撐結(jié)構(gòu)保留，步進電機安裝在中拖板的后側(cè)。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。 ( 5 ) 驅(qū)動系統(tǒng)的選擇 : 主軸驅(qū)動系統(tǒng)采用原有電動機驅(qū)動 , 進給驅(qū)動系統(tǒng)可以采用步進驅(qū)動器和步進電機。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)。 ( 2 ) 車床縱、橫兩個方向的進給運動控制 , 通常由步進驅(qū)動器控制的步進電機帶動滾珠絲杠來實現(xiàn)，由數(shù)控系統(tǒng)控制要實現(xiàn)兩個方向的進給運動的聯(lián)動。 改造方案確定 本設(shè)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。 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，不帶檢測裝置，指令信號單方向傳遞。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。所以，為滿足低摩擦要求，選用滾珠絲杠、螺母傳動副做傳動和導(dǎo)向元件，可以直接選用減速步進電機，以縮小傳動鏈，提高系統(tǒng)剛度，并減少傳唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 6 動鏈誤差。 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。主軸后端安裝了同步運轉(zhuǎn)的脈沖編碼器，用于加工螺紋時實現(xiàn)進給與主軸轉(zhuǎn)速的同步。 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。因此，能夠極大地提高生產(chǎn)率。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)。所以，本設(shè)計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 （ 2）伺服進給系統(tǒng)的改造設(shè)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。 （ 1）數(shù)控系統(tǒng)運動方式的設(shè)計 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。 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。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，則對原設(shè)備進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床改裝為數(shù)控化機床；如果使用 9年以上，則可更將普通機床更換為全新數(shù)控機床為最佳方案。各種方案的設(shè)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。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。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]。 普通車床數(shù)控化改造經(jīng)濟分析 根據(jù)對市場的調(diào)研，目前新經(jīng)濟型數(shù)控車床，售價 萬 /臺，普通 新車床CA6140，售價 3． 8萬 /臺，使用壽命 8～ 10年，而已使用了 6～ 8 年的舊車床 CA6140，估價 萬 /臺， 通過改造還可使用 4～ 6 年。 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。數(shù)控車床價格較昂貴，對于中小企業(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。數(shù)控車床可以較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批及多變零件的加工問題。 同時，增加新的數(shù)控系統(tǒng)及相應(yīng)的機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 床的自動化程度 ，對我國這樣的一個機床大國是非常重要的 [1]。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。 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 舍棄原有的進給系統(tǒng) ， 用新的數(shù)控系統(tǒng) 驅(qū)動步進電機帶動滾珠絲杠 來替代 。 7）增加了功能，如圓弧加工、錐度加工，甚至更復(fù)雜輪廓的加工，這是傳統(tǒng)加工方法難以實現(xiàn)的。 6）可充分利用現(xiàn)有的條件。 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(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 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(shè)備繼續(xù)使用多年。 4）提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品率。 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(yīng)性強。具體來講，其改造優(yōu)點如下： 1）從提高資本效率出發(fā)，改造閑置的普通車床，能發(fā)揮舊機床的原有功能和改造后的新功能，提高普通車床的使用價值。 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 。 我們以 CA6140車床為例，對普通車床進行數(shù)控化改造設(shè)計分析。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(yīng)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。企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、求得發(fā)展，就必須在最短的時間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本，制造出合乎市場需要的、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。 adapt to the multispecies, middle and small batch production。 關(guān)鍵詞 ：普通車床 數(shù)控化改造 進給系統(tǒng) 刀架 Numerical Control Innovation of mon lathes— the Design of Feeding System amp。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)。設(shè)計選擇滾珠絲杠支承方式與相應(yīng)的軸承、步進電機。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。數(shù)控化改造后的車床自動化程度高，專業(yè)性強，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)控改造費用低，經(jīng)濟性好；能發(fā)揮機床原有功能和改造后的新增功能，提高機床的使用價值；數(shù)控改造周期短，可滿足生產(chǎn)急需。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有 關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。對本文的研究做出重要