【正文】 裝尺寸型號電機(jī)型號DD1D2D3L1L2L3L4H出軸JBF7A110BC380C11020402852189028185短而機(jī)床要求刀架快速移動速度: 12m/min, 最大進(jìn)給速度: m/min, 起動加速時間: 30 ms。表36 JBF7A步進(jìn)電機(jī)參數(shù)電機(jī)型號減速比步距角（176。3. 橫向步進(jìn)電動機(jī)選擇計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。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。m)引起的導(dǎo)程變化量δT：鋼球和螺紋滾道產(chǎn)生的軸向變形δa：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，F(xiàn)ao≈ ；ΣZ—Z圈內(nèi)的鋼球數(shù)，滾珠絲杠導(dǎo)程變形總量Σδ： 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。 所以，σ[σ]，即滾珠絲杠的強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。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)選擇計算()得，T =16 N表35 CDM20045P4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)選擇滾珠絲杠的型號根據(jù)計算的基本額定載荷Ca≥，查表《機(jī)械零件設(shè)計手冊》表G18—4，選擇滾珠絲杠的型號CDM2004—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Φ20mm，導(dǎo)程為4mm，精度等級為4級(一般數(shù)控機(jī)床精度等級為4級)，額定動載荷為10639N[9]。2. 橫向滾珠絲杠設(shè)計計算同縱向滾珠絲杠副的設(shè)計相同，滾珠絲杠副的設(shè)計即為滾珠絲杠副型號的選擇。機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：取工件毛坯直徑d=410mm，切削速度Vc =70m/min，則主軸轉(zhuǎn)速n：查CA6140機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速系列，可選主軸轉(zhuǎn)速n為63r/min。1. 橫向切削力的計算和主傳動電機(jī)功率的校核同樣是選取粗車時的切削力為計算力，刀具選擇YT5，對于長徑比小于200:1背吃刀量ap =1mm，進(jìn)給量f =～，切削速度Vc =60～75m/min。根據(jù)廠家提供CA6140的參數(shù)，然后以Q235鋼為加工材料，進(jìn)行設(shè)計計算。 橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計相對縱向進(jìn)給系統(tǒng)較簡單，也是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動。②右端軸承壽命的計算LhB:如果按一天工作16小時，一年工作300天，此軸承可以使用19年，故所選軸承合適。右端軸承的當(dāng)量載荷3) 軸承壽命的計算①左端軸承壽命的計算LhA:查《機(jī)械工程手冊》第二版,對于球軸承 ε=3。左端軸承的當(dāng)量載荷，②右端軸承的當(dāng)量載荷計算查《機(jī)械工程手冊》第二版“機(jī)械零部件設(shè)計：動載荷Cr = KN，靜載荷Cor= KN。此方式對熱伸長較敏感4兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定固定式）此方式可將絲杠的熱變形轉(zhuǎn)化為止推軸承的預(yù)緊力 左端軸承的附加的軸向力FdA：左端軸承的軸向載荷FaA：右端軸承的軸向載荷FaB：2) 軸承的當(dāng)量載荷計算①左端軸承的當(dāng)量載荷計算查《機(jī)械工程手冊》第二版“機(jī)械零部件設(shè)計:動載荷Cr = KN，靜載荷C0r = KN。的角接觸球軸承Fd = Fr，其方向由軸承外圈端面的寬邊指向窄邊。當(dāng)螺母旋轉(zhuǎn)時，可視為滑塊沿斜面上升或下降，由力學(xué)受力分析可知，滑塊承受載荷F(軸向力)并沿斜面旋轉(zhuǎn)時，所需要的水平推力Fh(圓周力)的大小為：根據(jù)力學(xué)知識，對此支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析， N， N。(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。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，縱向絲杠的左端軸承初選兩個成對的角接觸軸承，輕系列，內(nèi)徑35mm，公稱接觸角250，代號為7207AC，右端軸承初選為調(diào)心球軸承，輕系列，內(nèi)徑20mm，代號為1204。設(shè)計所選縱向滾珠絲杠的支承形式為一端固定一端游動，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。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]。4. 縱向進(jìn)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。電機(jī)輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩Tdmax，查《電機(jī)工程手冊》可知，在加速和減速過程中，按兩倍的額定轉(zhuǎn)矩計算，即即縱向最小機(jī)械時間常數(shù)滿足要求在lms1000ms之間(查車床數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù))。（4） 最小機(jī)械時間常數(shù)Tmin :( 312 ) ( 313 )式中， J —總的轉(zhuǎn)動慣量。③ 摩擦附加力矩Mo：④ 快速空載起動力矩M：因此，選用20 N所以，總的轉(zhuǎn)動慣量J：考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動系統(tǒng)慣量匹配的問題，由即縱向步進(jìn)電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動慣量JM與總的負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量Jl之比稍大于3，即縱向總的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量與電動機(jī)本身的轉(zhuǎn)動慣量基本相匹配，并且在快速進(jìn)給時能保證強(qiáng)的速度能力，滿足轉(zhuǎn)動慣量的要求。Js —滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量, JM —步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量,查廠家提供參數(shù),JM = 1000 kg（2） 轉(zhuǎn)動慣量計算傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動慣量J： (311)式中,Jl —負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量，Jl =J1 +Js 。/step； Ph —絲杠螺距，mm δ —脈沖當(dāng)量，mm/step。/step）靜轉(zhuǎn)矩（N定位精度：177。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。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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。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。3．縱向步進(jìn)電機(jī)選擇計算步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī), 利用其沒有積累誤差的特點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。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。鋼球和螺紋滾道產(chǎn)生的軸向變形δa：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，F(xiàn)ao≈ ；ΣZ—Z圈內(nèi)的鋼球數(shù)，滾珠絲杠導(dǎo)程變形總量Σδ：縱向滾珠絲杠剛度KΣδ： 即縱向滾珠絲杠剛度足夠，其剛度可滿足要求。m)引起的導(dǎo)程變化量δT：(3—10)式中：A —絲杠的截面積，A = mm2；Jc —絲杠的極慣性矩， m4；G —鋼的切變模量，對于鋼G= GPa；T —轉(zhuǎn)矩, N (5)縱向滾珠絲杠剛度計算滾珠絲杠受軸向負(fù)載F引起導(dǎo)程產(chǎn)生的變形量δF：(3—9)式中：Ph=6mm，E=200GPa。m。m）d0PhDwdd1動載荷Ca靜載荷C0a406402191螺母安裝連接尺寸DD3D4BD5D6hMACLL17111090159159M63713854 (4)滾珠絲杠的強(qiáng)度計算滾珠絲杠主要受切削工件時所產(chǎn)生的軸向力F和轉(zhuǎn)矩T，而彎矩主要分布在機(jī)床導(dǎo)軌上，作用到滾珠絲杠上的彎矩較小。,具體參數(shù)見表32所示。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(jī)械傳動裝置設(shè)計手冊》上冊表10—210—210—28查得， KF =～，；硬度最大為60HRC時KH ；行程系數(shù)最小為1是KL 。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(biāo)準(zhǔn)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]。(3)計算結(jié)果的比較粗車和精車時切削力Fc、進(jìn)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(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 ：主傳動電動機(jī)功率PE ：。查《機(jī)械工程手冊》第二版“機(jī)械制造工藝設(shè)備(二)：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(jìn)給力Ff、背向力Fp。減速步進(jìn)電機(jī)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，[5～6]。 縱向進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計普通車床的經(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(jìn)給系統(tǒng)承擔(dān)了數(shù)控車床各直線坐標(biāo)軸、回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的定位和切削進(jìn)給，進(jìn)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(zhǔn)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(jì)型數(shù)控機(jī)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(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，主要包括機(jī)床機(jī)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(zhǔn)備工作就緒后，即可進(jìn)入改造的實(shí)施階段。2）分析被改造機(jī)床，確定改造類型。 車床總體改造方案 數(shù)控化改造步驟1）對加工對象進(jìn)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(qiáng)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(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)。綜合考慮機(jī)床性能及經(jīng)濟(jì)性要求，選用開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)作為縱向進(jìn)給運(yùn)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(jī)驅(qū)動, 進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)可以采用步進(jìn)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)。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(jī)來實(shí)現(xiàn)。( 2 ) 車床縱、橫兩個方向的進(jìn)給運(yùn)動控制, 通常由步進(jìn)驅(qū)動器控制的步進(jìn)電機(jī)帶動滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)，由數(shù)控系統(tǒng)控制要實(shí)現(xiàn)兩個方向的進(jìn)給運(yùn)動的聯(lián)動。 改造方案確定本設(shè)計屬于經(jīng)濟(jì)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(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動縱向和橫向的滾珠絲杠以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)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(jìn)電機(jī)，以縮小傳動鏈，提高系統(tǒng)剛度，并減少傳動鏈誤差。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(yùn)動精度。主軸后端安裝了同步運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖編碼器，用于加工螺紋時實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(jìn)給箱相連的齒輪，進(jìn)給系統(tǒng)由步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。因此，能夠極大地提高生產(chǎn)率。刀架能在換刀點(diǎn)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(jī)來實(shí)現(xiàn)。所以，本設(shè)計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。（2）伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計 數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)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(yùn)動方式的設(shè)計 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。表11 各種更新方案的投資和各年使用費(fèi)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(fèi)用1234567891舊車床繼續(xù)使用0122更換為全新普通車床13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