1、紹紹興興職職業業技技術術學學院院畢業論文畢業論文 (2012(2012 屆）屆）CA6140CA6140 車床傳動系統的數控化改造車床傳動系統的數控化改造機械部分設計機械部分設計學生姓名學生姓名 陳紅 學學 號號 083010101 系系 別別 機電工程系 專專 業業 機電一體化 指導教師指導教師 蔡曉霞 完成日期完成日期 2011.4.25 目錄目錄引言.11 CA6140 車床主傳動變速箱結構分析 .32 數控車床頭箱結構分析 .42.1 主傳動系統 .42.2 進給傳動系統 .42.3 自動回轉刀架 .53 伺服系統及步進電動機的設計和計算 .53.1 伺服系統結構改造設計方案 .53.

2、1.1 縱向進給機械結構改造方案 .53.1.2 橫向進給機械結構改造方案 .53.2 進給伺服機構機械部分的設計計算 .63.2.1 選擇脈沖當量 .63.2.2 計算切削力 .63.2.3 滾珠絲桿螺母副的計算和選型 .63.2.4 傳動比計算 .93.2.5 步進電機的計算和選型 .10結論.15致謝.15參考文獻.15 1CA6140CA6140 車床傳動系統的數控化改造機械部分設計車床傳動系統的數控化改造機械部分設計 083010101 陳紅 浙江勝達機械廠生產設備開發部 工程師 章魏紹興職業技術學院 機電工程系 指導教師：蔡曉霞摘要摘要:了解數控機床的概念，所謂數字控制是按照含有機

3、床(刀具)運動信息程序所指定的順序自動執行操作的過程。而計算機數控機床就是數控機床在計算機監控下進行工作。它的優點很多,可以在同一機我國現床上一次裝夾可完成多個操作，生產率顯著提高等優點，但它的價格昂貴。由于在使用的機床大多數為普通車床，自動化程度低,要更新現有機床需要很多資金?？v向進給機構的改造：拆去原機床的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座,配上滾珠絲杠及相應的安裝裝置，縱向驅動的步進電機及減速箱安裝在車床的床尾,不占據絲杠空間。橫向進給機構的改造：拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠,由步進電機帶動。 總體設計方案:CA6140 車床主軸轉速部分保留原機床的手動變速功能。車床的縱向和橫向進給運動采用步進電

4、機驅動。最后,根據已知條件對縱向橫向伺服進給機構進行設計與計算。關鍵詞關鍵詞: :數控、車床、改造引言本次畢業設計主要是對機床機械部分進行改造,以步進電機驅動橫向進給運動、縱向進給運動以及刀架的快速換刀,使傳動系統變得十分簡單，傳動鏈大大縮短,傳動件數減少,從而提高機床的精度。 設計中，我們對有關數控機床及數控改造的相關書籍、刊物進行大量閱讀,收集了很多資料,了解了數控機床的基本概念，數控機床的發展概況，數控機床的組成及其工作原理，擴大了我們的知識面。 隨著科學技術的發展,現代機械制造要求產品的形狀和結構不斷改進，對零件的加工質量的要求也越來越高。隨著社會對產品多樣化要求的增強，產品品種增多,

5、產品更新換代加速。數控機床代替普通機床被廣泛應用是一個必然的趨勢。 同時，數控機床將向著更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能發展。機床作為機械制造業的重要基礎裝備，它的發展一直引起人們的關注，由于計算機技術的興起，促使機床的控制信息出現了質的突破，導致了應用數字化技術進行柔性自動化控制的新一代機床數控機床的誕生和發展。計算2機的出現和應用，為人類提供了實現機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發展，數控機床也得到迅速的發展和廣泛的應用，同時使人們對傳統的機床傳動及結構的概念發生了根本的轉變。數控機床以其優異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創機械產品向機電一體化發展的

6、先河。 數控機床是以數字化的信息實現機床控制的機電一體化產品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數字記錄在控制介質上，然后將數字信息送入數控裝置或計算機，經過譯碼，運算，發出各種指令控制機床伺服系統或其它的執行元件，加工出所需的工件。 數控機床與普通機床相比，其主要有以下的優點： 1.1. 適應性強，適合加工單件或小批量的復雜工件；在數控機床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現新工件加工。 2.2. 加工精度高； 3.3. 生產效率高； 4 4. 減輕勞動強度，改善勞動條

7、件； 5.5. 良好的經濟效益； 6.6. 有利于生產管理的現代化。 數控機床已成為我國市場需求的主流產品，需求量逐年激增。我國數控機機床近幾年在產業化和產品開發上取得了明顯的進步，特別是在機床的高速化、多軸化、復合化、精密化方面進步很大。但是，國產數控機床與先進國家的同類產品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設的需要。我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質差，性能落后，單臺機床的平均產值只有先進工業國家的 1/10 左右，差距太大，急待改造。31 1 CA6140CA6140 車床主傳動變速箱結構分析車床主傳動變速箱結構分析 機床主軸箱是一個比較復雜的傳動件.表達主軸箱各傳動

8、件的結構和裝配關系時常用展開圖.展開圖基本上 是按各傳動鏈傳遞運動的先后順序,沿軸心線剖開,并展開在一個平面上的裝配圖(如圖 1) ： 圖 11花鍵套；2帶輪；3法蘭；4箱體；5鋼球；6齒輪；7銷；8、9螺母；10齒輪；11滑套；12元寶銷；13制動盤；14制動帶；15齒條；16拉桿；17撥叉；18齒扇；19圓鍵 該圖是沿軸 IV 一 I 一 II 一 III(V)一 VI 一 XI 一 X 的軸線剖切面展開的。展開圖把立體展開在一個平面上，因而 其中有些軸之間的距離拉開了。如軸 IV 畫得 III 與軸 V 較遠，因而使原來相互4嚙合的齒輪副分開了。讀展開圖時 ，首先應弄清楚傳動關系。 卸荷

9、帶輪電動機經皮帶將運動傳至軸 I 左端的帶輪 2（見圖 1 的左上部分） 。帶輪 2 與花鍵套 1 用螺釘連接成一體，支承在法蘭 3 內的兩個深溝球軸承上。法蘭 3 固定在主軸箱體 4 上，這樣帶輪 2 可通過花鍵 1 帶動軸 I 旋轉，皮帶 的拉力則經軸承和法蘭 3 傳至箱體 4。軸 I 的花鍵部分只傳遞轉距，從而可避免因皮帶拉力而使軸 I 產生彎曲變 形。這種帶輪是卸荷的（既把徑向載荷卸給箱體） 。2 2 數控車床頭箱結構分析數控車床頭箱結構分析2.12.1 主傳動系統主傳動系統數控車床主運動要求速度在一定范圍內可調，有足夠的驅動功率，主軸回轉軸心線的位置準確穩定，并有足夠的剛性與抗振性。

10、如下圖所示為濟南第一機床廠生產的 MJ-50 型數控車床的傳動系統圖。2.22.2 進給傳動系統進給傳動系統數控車床進給傳動系統是用數字控制 X、Z 坐標軸的直接對象，工件最后的尺寸精度和輪廓精度都5直接受進給運動的傳動精度、靈敏度和穩定性的影響。為此，數控車床的進給傳動系統應充分注意減少摩擦力，提高傳動精度和剛度，消除傳動間隙以及減少運動件的慣量等。為使全功能型數控車床進給傳動系統要求高精度、快速響應、低速大轉矩，一般采用步進電機，通過滾珠絲杠螺母副帶動刀架移動。刀架的快速移動和進給移動為同一條傳動路線。如圖 3-3 所示，MJ-50 數控車床的進給傳動系統分為 X 軸進給傳動和 Z 軸進給

11、傳動。2.32.3 自動回轉刀架自動回轉刀架數控車床的刀架是機床的重要組成部分，其結構直接影響機床的切削性能和工作效率?；剞D式刀架上回轉頭各刀座用于安裝或支持各種不同用途的刀具，通過回轉頭的旋轉分度和定位，實現機床的自動換刀。回轉刀架分度準確，定位可靠，重復定位精度高，轉位速度快，夾緊性好，可以保證數控車床的高精度和高效率。按照回轉刀架的回轉軸相對于機床主軸的位置，可分為立式和臥式回轉刀架。從它上面我們可以看出，對 CA6140 車床的改造的方向。3 3 機床進給伺服系統機械部分以及步進電動機的設計和計算機床進給伺服系統機械部分以及步進電動機的設計和計算3.13.1 進給伺服系統機械部分的結構

12、改造設計方案進給伺服系統機械部分的結構改造設計方案3.1.13.1.1 縱向進給機械結構改造方案縱向進給機械結構改造方案拆除原機床的進給像、溜板箱、滑動絲杠、光杠等，裝上步進電機、齒輪減速箱和滾珠絲杠螺母副。為了提高支承剛度，采用向心推力球軸承對加止推軸承支承方式。齒輪間隙采用雙薄片調隙方式。利用原機床進給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲桿仍安置在原來的位置，兩端仍采用原固定方式。這樣可減少改裝工作量，并由于滾珠絲杠的摩擦系數小于原絲杠，且外徑比原先的大，從而使縱向進給整體剛度只可能增大?？v向進給機構都采用了一級齒輪減速。雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙。因為彈簧的彈力很難適應負載的變化

13、情況。當負載大時，彈簧彈力顯小，起不到消除間隙之目的；當負載小時，彈簧彈力又顯大，則加速齒輪的磨損。因此，采用定期人工調整、螺釘緊固的辦法消除間隙?？v向齒輪箱和溜板箱均加外罩，以保持機床原外觀，起到美化機床的效果，在溜板箱上安裝了縱向快速進給和急停按鈕，以適應機床調整時的操作需要和遇到意外情況時的急停處理需要。63.1.2.3.1.2.橫向進給機械結構改造方案橫向進給機械結構改造方案拆除原中拖板絲桿，安裝滾珠絲桿副，為提高橫向進給系統剛度，支承方式采用兩端裝止推軸承。步進電機、齒輪箱安裝于機床后側，為了使減速機構不影響走刀，同時消除傳動過程的沖擊，減速機構采用二級傳動，從動輪采用雙薄片錯位消除

14、間隙。3.23.2 進給伺服機構機械部分的設計計算進給伺服機構機械部分的設計計算3.2.13.2.1 選擇脈沖當量選擇脈沖當量根據機床精度要求確定脈沖當量，縱向：0.01mm/步， 橫向：0.005mm/步（半徑）3.2.23.2.2 計算切削力計算切削力1 1）縱車外圓）縱車外圓主切削力 FZ（N）按經驗公式估算：FZ=0。67Dmax1。5=0。67*4001。5=5360 按切削力各分力比例： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 F X=53600.25=1340 FY=53600.4=21442 2）橫切端面）橫切端面主切削力 FZ（N）可取縱切的 0.5 FZ=0.5FZ=268

15、0此時走刀抗力為 FY（N） ，吃刀抗力為 Fx（N） 。仍按上述比例粗略計算： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 FY=26800.25=670 FX=26800.4=10723.2.33.2.3 滾珠絲桿螺母副的計算和選型滾珠絲桿螺母副的計算和選型1 1）縱向進給絲桿的選型）縱向進給絲桿的選型計算進給牽引力 Fm（N）：縱向進給為綜合型導軌 Fm=KFx+f（Fz+G）7 =1.1581340+0.16（5360+800） =2530 式中 K考慮顛復力距影響的實驗系數，綜合導軌取 K=1.15； f滑動導軌摩擦系數：0.150.18； G溜板及刀架重力：G=800N計算最大動負荷

16、C： C=3LfWFM L=60nt/106 N=1000Vs/Lo 式中 Lo滾珠絲桿導程，初選 L=6mm； Vs最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的（1/21/3） ，此處 Vs=0.6m/min T使用壽命，按 15000h； fw運轉系數，按一般運轉取 F=1.21.5； L壽命、以 106 為一單位。n=1000Vs/Lo=10000.60.5/6=50r/minL=60NT/106=606015000/106=45C=3LfwFm=3451.22530=10798.7N 滾珠絲桿螺母副的選型：查閱表，可用 W1L400b 外循環螺紋調整預緊的雙螺母滾珠絲桿副，1 列 2.5

17、 圈，其額定動負載為16400N，精度等級按表 4-15 選為 3 級（大致相當老標準 E 級） 。傳動效率計算：=tg/tg(+)試中 螺旋升角，W1L400b=244摩擦角 10滾動摩擦系數 0.003-0.004=tg/tg(+) =tg244/tg(244+10)=0.94 3.1.5 剛度驗算最大牽引力為 2530N。支撐間距 L=1500mm 螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。A. 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1根據 Pm=2530N，D0=40mm，查出L/L=1.210-58可算出：1=L/L1500=1.210-51500=1.810-2由于兩端采用向心推力球軸

18、承，且絲桿又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高 4 倍。其實際變形量 1(mm)為： 1=0.2510-2 B滾珠與螺紋滾道間接觸變形 qW 系列 1 列 2.5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 q ：q=6.4m因進行了預緊， 2 =0.5q =0.56.4=3.2mC支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形 3采用 8107 型推力球軸承，d1=35mm，滾動體直徑 dq=6.34mm，滾動體數量 Z=18，c=0.00243Fm2/(dqZ2) =0.002432532/(6.35182)注意，此公式中 Fm 單位為 kgf應施加預緊力，故3=0.5=0.50.0075=0.0038mm 根據以上計算

19、：= 1+2+3 =0.0045+0.0032+0.0038 =0.0115mm定位精度穩定性校核：滾珠絲桿兩端推力軸承，不會產生產生失穩現象不需作穩定性校核。2 2）橫向進給絲桿）橫向進給絲桿計算進給牽引力 Fm：橫向導軌為燕尾形，計算如下：Fm=1.4Fy+f(Fz+2Fx+G) =1.4670+0.2(2680+21072+600)2023N計算最大動負荷 C： n=1000V3/L0=10000.30.5/5=30 L=60nT/106=603015000/106 C=3LfwFm=3271.22030=7283N選擇滾珠絲杠螺母副：9從附錄 A 表 3 中查出，W1L20051 列

20、2.5 圈外循環螺紋預緊滾珠絲杠副，額定動載荷為 8800N，可滿足要求，選定精度為 3 級。傳動效率計算：=tg/tg(+)=tg433/tg(433+10)=0.965剛度驗算：橫向進給絲杠支承方式如 圖所示，最大牽引力為 2425N，支承間距 L=450mm，因絲杠長度較短，不需預緊，螺母及軸承預緊。計算如下： A.絲杠的拉伸或壓縮變形量 1(mm)查圖 4-6，根據 Fm=2032N，D0=20MM，查出 L/L=5105 可算出1= L /LL=4.2105 450=1.89102mm顯然系統應進行預拉伸，以提高剛度 故 =0.251=4.7103B.滾珠與螺紋滾道間接觸變形查資料（

21、機床數控改造設計與實例M1 版 ， ） 。 q=8.5m因進行了預緊 2=0.5q=0.58.5=4.25mC.支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形采用 8103 型推力球軸承，dq=5Z=13d=17mmc=0.00243Fm2/(dqZ2) =0.00243202.3/5132=1.3103考慮到進行了預緊，故 3=0.5 c=0.51.3103=6.5104綜合以上幾次變形量之和得：=123=4.7103+4.25103/+ =0.00960.015（定位精度 ）穩定性校核：滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產生失穩現象不需作穩定性校核。103.2.4.3.2.4.傳動比計算傳動比計算1)1)縱向進給

22、齒輪箱傳動比計算縱向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量 p =0.01，滾珠絲杠導程 L0=6mm，初選步進電機步距角 0.75。可計算出傳動比 i i=360p / bL 0 =3900.01/0.756=0.8可選定齒輪齒數為： I =Z1/Z2 Z1=32，Z2=40 ，或 Z1=20，Z2=252)2)橫向進給齒輪箱傳動比計算橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定橫向進給脈沖當量 p =0.005，滾珠絲杠導程 L0=5mm，初選步進電機步距角 0.75。可計算出傳動比 i I=360p / bL 0=3600.005/0.755=0.48考慮到結構上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影

23、響到橫向溜板的有效行程，故此處可采用兩級齒輪降速：i=Z1Z2/Z3Z4=34/55=2420/4025Z1=24，Z2=40，Z3=20，Z4=25因進給運動齒輪受力不大，模數 m 取 2。有關參數參照下表：齒數324024402025分度圓d=mz648048804050齒頂數da=d+2m688452844454齒根數df=d-21.25m597543753545齒寬(6-8)m202020202020中心距A=(d1+d2)/27264453.2.5.3.2.5.步進電機的計算和選型步進電機的計算和選型1)1)縱向進給步進電機計算縱向進給步進電機計算等效傳動慣量計算:方法計算如下，傳動

24、系統折算到電機軸上的總傳動慣量 J(kgcm2)可有下式計算：J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+Js)+G/g(L0/2)2式中：Jm步進電機轉子轉動慣量(kgcm2)J1，J2齒輪 Z1、Z2 的轉動慣量(kgcm2)11Js滾珠絲杠傳動慣量(kgcm2)參考同類型機床，初選反應式步進電機 150BF，其轉子轉動慣量 Jm=10(kgcm2)J1=0.78103d14L1=0.781036.422=2.6 kgcm2J2=0.78103d24L2=0.78103822=6.39 kgcm2Js=0.7810344150=29.952 kgcm2G=800N代入上式： J=Jm+J1+（

25、Z1/Z2）2(J2+Js)+G/g(L0/2)2 =10+2.62+(32/40)2(6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2)2=36.355 kgcm2考慮步進電機與傳動系統慣量匹配問題。Jm/J=10/36.355=0.275基本滿足慣量匹配的要求。電機力矩計算:機床在不同的工況下，其所需轉距不同，下面分別按各階段計算：A.快速空載啟動力矩 M 起在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下： M 起=Mamax+Mf+Ma Mamax=J= Jnnax102/(60ta/2) = J2nmax102/(60ta)nmax=maxb/p360將前面數據代入，式

26、中各符號意義同前。 nmax=maxb/p360=24000.75(0.01360)=500r/min 啟動加速時間 ta=30ms Mamax=J2nmax102/(60ta)=36.3552500102/(600.03)=634.5Ncm 折算到電機軸上的摩擦力距 Mf： Mf=FOL0/2i=f(Pz+G)L0/(2Z2/Z1) =0.16(5360+800)0.6/(20.81.25)=94Ncm 附加摩擦力距 M012 MO=FPOL0(1-02)/2i=1/3FtL0(1-02)/(2Z2/Z1) =1/325300.6(1-0.92)/( 20.81.25) =805.30.19

27、=15.3Ncm上述三項合計： M 起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8NcmB快速移動時所需力矩 M 快。M 快=Mf+M0=94+15.3=109.3NcmC快速切削負載時所需力矩 M 切M 切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2i =94+15.3+13400.6/(20.81.25) =94+15.3+127.96=237.26Ncm 從上面計算可以看出，M 起、M 快和 M 切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據。從有關手冊機床數控改造設計與實例M查出，當步進電機為五相十拍時 =Mq/Mjmax=0.951最大靜

28、力矩 Mjmax=743.8/0.951=782Ncm按此最大靜力矩從有關手冊中查出，150BF002 型最大靜轉矩為 13.72Nm。大于所需最大靜轉矩，可作為初選型號，但還需進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率:Fk=1000Vmax/60p =10002.4/600.01=4000HzFe=1000Vs/60p =10000.6/600.01=1000Hz從下表中查出 150BF002 型步進電機允許的最高空載起動頻率為 2800Hz 運行頻率為 8000Hz,再從有關手冊中查出 150BF002 型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲

29、線。當步進電機起動時，f 起=2500 時，M=100Ncm,遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（782Ncm）直接使用則會產生失步現象，所以必須采用升降速控制（用軟件實現） ，將起動頻率降到 1000Hz 時，起動力矩可增加到5884Ncm，然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，150BF002 型步進電機運行矩頻特性完全可以滿足要求。2)2)縱向進給步進電機計算縱向進給步進電機計算等效傳動慣量計算:橫向傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣量 J 可由下式計算13 J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+J3)+Z3/Z(J+J)+G

30、/g(L0/2)2式中各符號意義同前，其中J1=0.78103d14L1=0.781034.822=0.83kgcm2J2=0.78103d24L2=0.78103842=6.4 kgcm2J3=0.78103d24L3=0.78103442=0.4 kgcm2J4=0.78103d24L4=0.78103542=0.98 kgcm2Js=0.781032445=0.56kgcm2G=600nJm=4.7 （初選反應式步進電機為 110BF）代入上式為： J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+J3)+Z3/Z(J+J)+G/g(L0/2)2 =4.7+0.83+(24/10)2(6.4+0.

31、4)+(20/25)2(0.98+0.56)+600/10(0.5/2)2 =8.42kgcm2考慮到步進電機與傳動系統慣量的匹配問題Jm/J=4.7/8.42=0. 558基本滿足慣量匹配要求電機力矩計算:A.快速空載起動力矩 M M 起=Mamax+Mf+MaMamax=J= Jnnax102/(60ta/2) = J2nmax102/(60ta)式中： nmax=maxb/p360 =12000.75/(0.005360)=500r/min ta=30msMamax=J2nmax102/(60ta)=8.422500102/(600.03)=147Ncm折算到電機軸上的摩擦力矩 MfMf

32、=FOL0/2i=f(Pz+G)L0/(2Z2/Z1) =0.2(2680+600)0.50.48/(20.8)=31.3Ncm附加摩擦力矩 M014 MO=FPOL0(1-02)/2i=1/3FtL0(1-02)/(2Z2/Z1) =1/320230.50.48(1-0.92)/( 20.8) =6.1Ncm上述三項合計： M 起=Mamax+Mf+Ma=147+31.3+6.1=184.4NcmB快速移動時所需力矩 M 快。M 快=Mf+M0=31.3+6.1=37.4NcmC.最大切削福載時所需力矩 M 切M 切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2i =37.4+10720.50.48/(20.8)=88.6Ncm 由上面計算可以看出, M 起、M 快和 M 切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，故以此項作為選擇步進電機的依據。根據步進電機轉矩 Mq 與最大靜轉矩 Mjmax 的關系可知，當步進電機為三相六拍時：=Mq/Mjmax=0.866最大靜力矩 Mjmax=184.4/0.866=213Ncm查 BF 反應式步進電機技術參數得，110BF003 型步進電機最大靜轉矩為 7.84Nm。大于所需最大靜轉矩，可作為初選型號，但必須進一步考核步