數(shù)控車床的總體設(shè)計及主傳動系統(tǒng)設(shè)計（全套含CAD圖紙）,數(shù)控車床,總體,整體,設(shè)計,傳動系統(tǒng),全套,cad,圖紙 第九章 典型零件的加工程序設(shè)計 二、典型零件的加工程序設(shè)計 圖中Φ86mm處不加工。編制加工程序步驟如下： 數(shù)控機床的選擇 被加工零件為回轉(zhuǎn)體零件，需進(jìn)行倒角，螺紋，錐度，圓弧加工，選書空車床可滿足要求/ 加工程序劃分 經(jīng)分析確定工藝路線如下： 從右到左切削外輪廓沒秒年 ，其路線為：倒角—車螺紋M48mm×1.5mm 的外圓—車錐度部分——車Φ62mm外圓——車Φ80mm外圓——切R70圓弧——車Φ80mm外圓。 切3mm×Φ45mm槽。 車M48mm×1.5mm螺紋。 （3）選擇刀具、確定換刀點 根據(jù)加工要求選用三把刀具，1號刀 車外圓，1 號刀切槽，3 號刀車螺紋。繪制刀具布置圖（如下圖所示），要注意正確選用換刀點，以避免刀具與車床、工件、夾具在換到時發(fā)生碰撞現(xiàn)象，本例換刀點選A（200，350） （4）正確切削用量 根據(jù)數(shù)控加工的特點，本例切削用量確定如下：車外圓時，主軸轉(zhuǎn)速取630r/min（S630），進(jìn)給量取0.15mm/r。切槽時，主軸轉(zhuǎn)速取315r/min（S315）。進(jìn)給量取0.16mm/r。車螺紋時，主軸轉(zhuǎn)速取200r/min（S200），進(jìn)給量為1.5mm/r，螺距F1.5），切削深度為精加工余量。 圖8-16 車削零件圖 （5）編制精加工程序如下： NOO1 G92 X200 Z350.MO6 T01 N002 S630 MO3 N003 G00 G90 Z292 MO8 NOO4 G43 X41.8 H01 N005 G01 X48 Z289 G95 F0.15 N006 Z227 N007 X50 NOO8 X62 Z167.0 NOO9 Z155 N010 X78 N011 X80 Z154 N012 Z135 N013 G03 Z75 I63.25K-30 N014 G01 Z65 N015 X90 N016 G00 Z350 H00 M09 N017 M06 T02 N018 G43 X200 H02 N019 S315 M03 M020 G00 X51 Z227 M08 N021 G01 X45 F50 N022 G04 X500 N023 G00 X51 N024 Z350 H00 M09 N025 MO6 T03 NO26 G43 X200 H03 N027 S200 M03 N028 G00 X47 Z296 M08 NO29 G33Z233 K1.5 N030 G01 X50 N031 G00 Z296 N032 G01X46.373 N033 G33 Z233 K1.5 N034 G01 X50 N035 G00 X200 Z350 H00 M09 N036 M05 N037 M30 第九章 典型零件的加工程序設(shè)計 圖中Φ100mm處不加工。編制加工程序步驟如下： （一）、數(shù)控機床的選擇 被加工零件為回轉(zhuǎn)體零件，需進(jìn)行倒角，螺紋，錐度，圓弧加工，選書空車床可滿足要求。 （二）、加工程序劃分 經(jīng)分析確定工藝路線如下： 從右到左切削外輪廓，其路線為：平端面——車Φ90的外圓——車Φ80的外圓——車Φ70的外圓——車Φ60的外圓——車Φ55的外圓——倒角2×45°——錐度——圓弧加工——切槽——螺紋。 （三）、選擇刀具、確定換刀點 根據(jù)加工要求選用三把刀具，T01號刀 車外圓，T02 號刀車螺紋，T03 號刀切槽，。繪制零件車削圖（如下圖所示），要注意正確選用換刀點，以避免刀具與車床、工件、夾具在換到時發(fā)生碰撞現(xiàn)象，本例換刀點選A（200，100） （四）、正確切削用量 根據(jù)數(shù)控加工的特點，本例切削用量確定如下：車外圓時，主軸轉(zhuǎn)速取600r/min（S600），進(jìn)給量取0.15mm/r。切槽時，主軸轉(zhuǎn)速取300r/min（S315）。進(jìn)給量取0.16mm/r。車螺紋時，主軸轉(zhuǎn)速取200r/min（S200），進(jìn)給量為1.5mm/r，螺距F1.5），切削深度為精加工余量。 圖8-1 車削零件圖 （五）、編制精加工程序如下： ;工件尺寸450×100 ;起始位置X=50 Z=10 ;刀具 T01為車刀 T02為螺紋刀 T03為切斷刀 N01 G92 X100 Z10 N02 T1 N03 G00 Z0 N04 G01 X-1 N05 G00 X100 N06 G00 Z10 N07 G00 X95 N08 G01 Z-385 F40 N09 G00 X100 N10 G00 Z10 N11 G00 X90 N12 G01 Z-385 F40 N13 G00 X100 N14 G00 Z10 N15 G00 X85 N16 G01 Z-325 F40 N17 G00 X100 N18 G00 Z10 N19 G00 X80 N20 G01 Z-325 F40 N21 G00 X100 N22 G00 Z10 N23 G00 X75 N24 G01 Z-225 F40 N25 G00 X100 N26 G00 Z10 N27 G00 X70 N28 G01 Z-225 F40 N29 G00 X100 N30 G00 Z10 N31 G00 X65 N32 G01 Z-105 F40 N33 G00 X100 N34 G00 Z10 N35 G00 X60 N36 G01 Z-105 F40 N37 G00 X100 N38 G00 Z10 N39 G00 X55 N40 G01 Z-105 F40 N41 G00 X100 N42 G00 Z10 N43 G00 X48 Z0 N44 G01 X55 Z-5 N45 G00 X100 N46 G00 Z10 N47 G00 X65 Z-105 N48 G01 X70 Z-205 N49 G00 X100 N50 G00 Z10 N51 G00 X60 Z-105 N52 G01 X70 Z-205 N53 G00 X100 N54 G00 Z10 N55 G00 X80 Z-245 N56 G92 X80 Z-245 N57 G05 X80 Z-305 I-2 K-30 F40 N58 G00 X80 Z-245 N59 G92 X80 Z-245 N60 G05 X80 Z-305 I-4 K-30 F40 N61 G00 X80 Z-245 N62 G92 X80 Z-245 N63 G05 X80 Z-305 I-6 K-30 F40 N64 G00 X80 Z-245 N65 G92 X80 Z-245 N66 G05 X80 Z-305 I-7 K-30 F40 N67 G00 X100 N68 G00 Z10 N69 M05 N70 T03 M03 S300 N71 G00 Z-105 N72 G01 X46 F40 N73 G00 X100 N74 G00 Z10 N75 M05 N76 T02 M03 S200 N77 G00 X53 N78 G01 Z-100 F40 N79 G00 X100 N80 G00 Z10 N81 G00 X51 N82 G01 Z-100 F40 N83 G00 X100 N84 G00 Z10 N85 G00 X50 N86 G01 Z-100 F40 N87 G00 X100 N88 G00 Z10 N89 M05 N90 M02 第二章 普通車床的數(shù)控改和可行性論證 對于普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在考慮總體設(shè)計方案時，應(yīng)遵循的原則是：在滿足設(shè)計要求的前途下，對機床的改動應(yīng)盡可能的少，以降低成本。 一 車床的數(shù)控改造 （一）、數(shù)控機床工作原理及組成 1. 數(shù)控機床工作原理： 數(shù)控機床加工零件時，首先應(yīng)編制零件的加工程序，這是數(shù)控機床的工作指令。將加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變化、起停，進(jìn)給運動的方向、速度和位移量以及其它如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的開、關(guān)等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴(yán)格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進(jìn)行工作，從而加工出符合要求的零件。 2.數(shù)控機床的組成： 數(shù)控機床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體等四部分組成，其組成框圖如圖2-1 圖2-1 數(shù)控機床的組成圖 （二）、設(shè)計內(nèi)容及任務(wù) 普通車床（C618）的數(shù)控改造設(shè)計內(nèi)容包括：總體方案的確定和驗證、機械改造部分的設(shè)計計算（包括縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算）、主運動自動變速原理及改造后的機床傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計、機床調(diào)速電動機控制電路的設(shè)計、電磁離合器的設(shè)計計算。。 本設(shè)計任務(wù)是對C618臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造，實現(xiàn)微機對車床的數(shù)控化控制。利用微機對車床的縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字控制，并要達(dá)到縱向最小運動單位為0.01/脈沖，橫向最小運動單位0.005/脈沖，主運動要實現(xiàn)自動變速，刀架要改造成自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架，要能自動的切削螺紋。 （三）、數(shù)控部分的設(shè)計改造 1、數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按其運動軌跡可分為：點位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點位控制系統(tǒng)只要求控制刀具從一點移到另外一點的位置，而對于運動軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統(tǒng)能對兩個或兩個以上坐標(biāo)方向的位移進(jìn)行嚴(yán)格的不間斷的控制。由于C618車床要加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 2、伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計改造 數(shù)控機床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)控制方案的優(yōu)點是可以達(dá)到和好的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾等對加工精度的影響。但他結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、調(diào)式和維修困難、造價高。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調(diào)速范圍寬，過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于以步進(jìn)電動機驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)。但是，采用半閉環(huán)控制其調(diào)式比開環(huán)要復(fù)雜，設(shè)計上也要有其自身的特點，技術(shù)難度較大。 開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有位置控制器及反饋線路，因此開環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但其結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，所以常用于精度要求不高的場合。 經(jīng)過上序比較，由于所改造的C618車床的目標(biāo)加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 3、數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。 數(shù)控裝置的設(shè)計方案通常有： l 可以全部自己設(shè)計制作 l 可以采用單板機或STD模塊或工控機改制 l 可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適應(yīng)化改動 在普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造中，由于第一種設(shè)計周期較長且不經(jīng)濟，同時質(zhì)量也難于保證。第二種則更加不經(jīng)濟。所以不課程設(shè)計將采取第三鐘方案。 （四）、機械改造部分的設(shè)計 1、主傳動部分的改造設(shè)計 將原機床的主軸電動機換成變頻調(diào)速電動機，無級調(diào)速部分由變頻器控制。將原機床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機構(gòu)。改造后使其主運動和進(jìn)給運動分離，主軸電動機的作用只是帶動主軸旋轉(zhuǎn)。 2、進(jìn)給機構(gòu)的改造 將原機床的掛輪機構(gòu)、進(jìn)給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除?？v向、橫向進(jìn)給以步進(jìn)電動機作為驅(qū)動元件經(jīng)一級齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動。 3、其它部件的改造 刀架部分：拆除原手動刀架和小拖板，安裝由微機控制的四工位電動機刀架，該刀架具有重復(fù)定位精度高、剛性好、使用壽命長、工藝性好等優(yōu)點。 二 可行性論證 根據(jù)《自動化制造系統(tǒng)》，可行性論證使用戶建造自動化制造系統(tǒng)項目前所進(jìn)行的技術(shù)和經(jīng)濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準(zhǔn)立項的基本依據(jù)。同樣，在進(jìn)行普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造之前進(jìn)行合理的、科學(xué)的可行性論證是必要的。 根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法，普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個方面進(jìn)行，即企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標(biāo)，改造的基礎(chǔ)條件、目標(biāo)、技術(shù)方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實施計劃，結(jié)論等。 由于本設(shè)計僅作為大學(xué)本科生的畢業(yè)設(shè)計，故在此，設(shè)計者僅對改造的投資概算作一簡要的可行性論證。 本改造設(shè)計是對普通車床C618進(jìn)行經(jīng)濟型數(shù)控改造。在改造設(shè)計中，采用的是廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的GSK980T型數(shù)控系統(tǒng)，加上兩臺伺服電機，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副，一臺變頻調(diào)速電動機，四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副。這樣設(shè)備改造費用和舊設(shè)備費用總計不會超過15萬元。因此，對普通車床作經(jīng)濟型數(shù)控改造適合我國國情，是國內(nèi)企業(yè)提高車床的自動化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實用性。 第五章 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計與計算 伺服進(jìn)給機構(gòu)的設(shè)計是普通車床經(jīng)濟型數(shù)控改造的主要部分，如果說CNC系統(tǒng)是數(shù)控機床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的指揮機構(gòu)，那么，伺服驅(qū)動系統(tǒng)便是數(shù)控機床的“四肢”，是執(zhí)行機構(gòu)，它忠實而準(zhǔn)確的執(zhí)行由CNC系統(tǒng)發(fā)來的運動命令。伺服控制系統(tǒng)是聯(lián)接數(shù)控系統(tǒng)與機床的樞紐，其性能是影響數(shù)控機床的精度、穩(wěn)定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。 一、伺服系統(tǒng)的組成原理和要求 (一)、伺服系統(tǒng)的組成原理 機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)與機床進(jìn)給機械傳動機構(gòu)兩大部分組成。機床進(jìn)給機械傳動系統(tǒng)通常由減速齒輪、滾珠絲杠、機床導(dǎo)軌和工作臺拖板等組成。對于伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)，按其反饋信號的有無，分為開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式。對于開環(huán)伺服系統(tǒng)只能由步進(jìn)電機驅(qū)動，它由步進(jìn)電機驅(qū)動電源和電動機組成。閉環(huán)伺服系統(tǒng)則分為直流電動機和交流電動機兩種驅(qū)動方式，并且是雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)中用作速度反饋的檢測裝置為測速發(fā)電機、脈沖編碼器等。速度控制單元是一個獨立的單元部件，它由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器以及功率驅(qū)動放大器等部分組成。位置環(huán)是由CNC裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測及反饋控制等部分組成。根據(jù)其位置檢測信號所取部位不同，它又分為半閉環(huán)和全閉環(huán)兩種。半閉環(huán)采用轉(zhuǎn)角位置檢測裝置，安裝于滾珠絲杠端部，或直接與伺服電動機轉(zhuǎn)子的后端相連（與伺服電動機成一體）；對于全閉環(huán)系統(tǒng)需要采用直線位置檢測裝置，安裝于機床導(dǎo)軌與工作臺拖板之間。通常伺服驅(qū)動控制單元與電動機由一個生產(chǎn)廠家配套提供（甚至包括位置檢測裝置）。 （二）、伺服系統(tǒng)的要求 伺服系統(tǒng)是把數(shù)控信息轉(zhuǎn)化為機床進(jìn)給運動的執(zhí)行機構(gòu)。為確保機床的加工質(zhì)量和效率，機床對其伺服系統(tǒng)有“穩(wěn)、準(zhǔn)、快、寬、足”五個要求，它反映了伺服驅(qū)動系統(tǒng)的五項性能指標(biāo),具體的內(nèi)容如下: 穩(wěn) 即穩(wěn)定性，也就是要求系統(tǒng)有較好的抗干擾性，保證電源、環(huán)境、負(fù)載等所產(chǎn)生的波動對其影響甚小，有較硬的調(diào)速機械特性，過載能力強，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性好，以確保工件加工的一致性。 準(zhǔn) 及準(zhǔn)確性，為確保加工質(zhì)量，除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外，還必須有較高的準(zhǔn)確定位精度。數(shù)控機床是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令自動完成整個加工過程，它不象普通機床那樣，中間可以由操作者測量工件后再通過操縱手輪來修正加工偏差。由于數(shù)控機床是按加工程序一次完成加工，所以進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度直接決定了工件的加工精度，這也是考核數(shù)控機床的一項至關(guān)重要的性能指標(biāo)。 通常影響數(shù)控加工精度的主要因素有：數(shù)控系統(tǒng)精度（主要取決于插補運算精度）；伺服系統(tǒng)精度；機床機械精度（如主軸、刀架、工作臺回轉(zhuǎn)精度，刀具、工件裝夾精度等）。其中伺服系統(tǒng)精度起主要作用。 快 即快速響應(yīng)性。機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)實際上就是一種高精度的位置隨動系統(tǒng)，它不但要求靜態(tài)誤差小，也要求動態(tài)響應(yīng)快，具體表現(xiàn)在起、停的升降速過程短，有較高的加速度，即要求系統(tǒng)的機電時間常數(shù)小，反應(yīng)靈敏。 寬 即有較寬的調(diào)速范圍。通常數(shù)控機床在實際運行中，對工作臺的進(jìn)給速度要求滿足兩項指標(biāo)：輕載快速趨近定位速度（即編程指令G00的速度）、切削進(jìn)給速度（即編程指令G01、G02等后面的F值所要求的速度）。 足 即有足夠的輸出扭矩或驅(qū)動功率。特別是要滿足強力切削和高速切削的要求，并且還要求系統(tǒng)有相應(yīng)的過載能力，以確保穩(wěn)定性。 對進(jìn)給伺服系統(tǒng)除了上述五項主要性能指標(biāo)外，也要求溫升低、噪聲小、效率高、體積小、價格低、控制方便、線性度好（如輸出速度與輸入電壓成線性）、可靠性高，維修保養(yǎng)方便，對溫度、濕度等環(huán)境要求寬等等。 二 伺服進(jìn)給機構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計計算 數(shù)控機床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)的控制方式有多種，如：開環(huán)控制閉環(huán)控制以及半閉環(huán)控制。 正如總體設(shè)計方案論證中所說，本設(shè)計任務(wù)的精度要求不高，結(jié)合經(jīng)濟型改造的特點，設(shè)計者采用以步進(jìn)電機為驅(qū)動的開環(huán)控制方式來設(shè)計其伺服進(jìn)給系統(tǒng)。下面對開換系統(tǒng)的控制形式及特點加以簡要分析。 1、工作原理及控制特點 開環(huán)控制系統(tǒng)利用脈沖馬達(dá)的伺服性能，即對應(yīng)一定的脈沖，必定有一定的轉(zhuǎn)角，從而通過絲杠螺母機構(gòu)使工作臺移動一定的距離。 2、定位精度 雖然開環(huán)控制系統(tǒng)很難保證較高的位置控制精度，對于影響定位精度的機械傳動裝置的剛度、摩擦、慣量、間隙等的要求較高，一般在0.01～0.02mm之間；但對于經(jīng)濟型數(shù)控車床來說，定位精度要求并不高。 3、穩(wěn)定性 結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，工作可靠，穩(wěn)定性好。 <一> 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 1、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容 經(jīng)濟型數(shù)控車床的改造一般是將絲杠、光杠及安裝座拆去，配上滾珠絲杠及相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動的步進(jìn)電動機及減速箱安裝在車床的車尾。書控車床通過步進(jìn)電動機經(jīng)減速驅(qū)動滾珠絲杠，帶動刀架左右移動。 縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容有：滾珠絲杠副的設(shè)計計算及選擇、減速比的確定及減速箱的設(shè)計、步進(jìn)電動機的選擇等。 2、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 （1）已知條件： 1）、縱向脈沖當(dāng)量 δp=0.001mm/脈沖； 2）、縱向最高進(jìn)給速度 Vfymax=2m/min； 3）、C618車床工作臺質(zhì)量 w=100kg=1000N（根據(jù)圖形尺寸粗略計算）。 4）、時間常數(shù) T=25ms （2）、縱向進(jìn)給切削力Fz的確定 根據(jù)《機床設(shè)計手冊》查出， =3～5% （5—1） 式中： Pdf ----進(jìn)給系統(tǒng)所需電機功率 Pa -----主傳動電機功率 由前面的設(shè)計計算可知： Pa=11kw 取比例系數(shù)為4% 則 Pdf= Pa×4%=0.44kw （5—2） 根據(jù)《機床設(shè)計手冊》查出， Fy= （5—3） 式中：ηf----進(jìn)給系統(tǒng)效率，其范圍為0.15～0.20， 取ηf =0.175 Vf-----進(jìn)給速度（m/min），查《實用機床設(shè)計手冊》可知： Vf=（1/2～1/3）·Vfymax （5—4） 取 Vf=（1/2）Vfymax=1 m/min 則 FZ=4712.4 (N) 當(dāng)FZ=4712.4N時，切削深度ap=2mm，走刀量f=0.3mm . 以此參數(shù)作為下面計算的依據(jù)，從《實用機床設(shè)計手冊》中可知，在一般圓切削時： =（0.1～0.6） （5—5） =（0.15～0.7） （5—6） =0.5=0.5×4712.4=2356.2（） =0.6=0.6×4712.4=2827.44（） （3）、滾珠絲杠的設(shè)計計算 滾珠絲杠在工作中承受軸向負(fù)載，使得滾珠和滾道型面間產(chǎn)生接觸應(yīng)力；對滾道型面上某一點，是交變接觸應(yīng)力。在這種交變應(yīng)力的作用下，經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后滾珠和滾道型面產(chǎn)生疲勞損傷，從而使得滾珠絲杠喪失工作性能，這是滾珠絲杠破壞的主要形式。在設(shè)計滾珠絲杠副的時候，須保證能夠它在一定的軸向負(fù)載的作用下，在回轉(zhuǎn)106轉(zhuǎn)后，滾道上雖然受滾珠壓力，但不應(yīng)有點蝕現(xiàn)象發(fā)生，此時所能承受的軸向負(fù)載成為這種滾珠絲杠能承受的最大動負(fù)載Q。 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。 1）、額定動載荷與計算動載荷C 從《實用機床設(shè)計手冊》中查得： （5—7） 式中: fh ---- 壽命系數(shù) fd ---- 載荷性質(zhì)系數(shù) fH ---- 動載荷硬度系數(shù) fn ---- 轉(zhuǎn)速系數(shù) Fd ---- 最大工作負(fù)載 (N) 根據(jù)《實用機床設(shè)計手冊》可知： 選工作壽命: Lh =15000h, 則 fh ==3.107 （5—8） 選載荷性質(zhì)系數(shù): fd =1.35; 選動載荷硬度系數(shù):fH =1.0; 轉(zhuǎn)速系數(shù): fn = ; （5—9） V =1000mm/min 根據(jù)上述選擇的情況下,計算結(jié)果如表5.1所示; 表5.1 動載荷計算 絲杠導(dǎo)程L0/mm 12 10 8 6 n =V/L0 (r/min) 8303 100 125 166.7 fn 0.737 0.693 0.694 0.584 c/n 26883 28590 30813 33926 綜合導(dǎo)軌車床絲杠的軸向力: （5—10） 式中:K=1.15; f’=0.15—0.18,取0.16.得; =3623.6 (N) 壽命值; （5—11） 最大負(fù)載; （5—12） ==11395.8 (N) 查參考文獻(xiàn)《實用機床設(shè)計手冊》可選用NL4510型號的滾珠絲杠副,名義直徑為45mm,絲杠導(dǎo)程為10 mm, 螺旋角,滾珠例數(shù)為3系列,其額定動載荷為33300N,所以其強度夠用。 2）、支承方式 選用“單推—單推”的支承方式。 3）、效率計算； （5—13） 式中： ---- 螺紋的螺旋升角 ---- 摩擦角 ； 所以，= 則： （5—14） 經(jīng)驗表明：在數(shù)控化改造設(shè)計中，有普通絲杠換成滾珠絲杠，只要名義直徑相同，支承方式相同或有改善，其絲杠的強度，剛度和穩(wěn)定性計算可以不計算，因為采用類比法，改善后肯定合格。 （4）、齒輪設(shè)計 齒輪傳動比i: （5—15） 式中； ---- 步進(jìn)電動機的步矩角，選為1.50， 計算出i〈 5，因此可以選一級傳動。 大小齒輪都采用45號鋼調(diào)質(zhì)，選小齒輪硬度為260HB—290HB，大齒輪硬度為220HB—250HB，精度選用六級，模數(shù)m=2mm , 齒寬b=20mm, 螺旋角α=， 齒數(shù)Z1=18，齒數(shù)Z2=75，則： （5—16） （5—17） 還應(yīng)該校核齒輪表面接觸疲勞強度，彎曲疲勞強度。經(jīng)校核均合格，其校核過程略。 3、步進(jìn)電動機的確定 （1）、步進(jìn)電動機步矩角的選擇； （5—18） （2）、等效轉(zhuǎn)動慣量的計算 慣量對運動特性有很大影響，對加速能力，加速時驅(qū)動力矩及動態(tài)的快速反應(yīng)有直接關(guān)系，因此核算轉(zhuǎn)動慣量很有必要。 縱向伺服系統(tǒng)改進(jìn)后等效轉(zhuǎn)動慣量的簡圖如下: 圖5-1 改造后的縱向伺服系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量簡圖 等效步進(jìn)電動機軸的轉(zhuǎn)動慣量計算，采用下式； （5—19） 式中： ----工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 ----滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 ----齒輪1的轉(zhuǎn)動慣量 ----齒輪2的轉(zhuǎn)動慣量 = （5—20） =×100=0.146（·） 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量： =7.8× （5—21） =7.8×××140=45.741（） 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： =7.8×××2=0.262（） =7.8×××2=78.975（） 電動機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略，因此總的轉(zhuǎn)動慣量： = = =7.58（）=75.8 （3）、所需轉(zhuǎn)動力矩計算： 折算到步進(jìn)電動機軸的力矩可分為三種情況進(jìn)行計算。 1）、快速空載啟動時所需力矩： M=Mamax+Mf+M0 （5—22） 2）、 最大切削負(fù)載時所需力矩： M=Mat+Mf+M0+Mt （5—23） 3）、快速進(jìn)給所需力矩 M=Mf+M0 （5—24） 式中：Mamax--空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩； Mf --折算到電機軸上的摩擦力矩； M0 --由絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機軸上的摩擦力矩； Mat--切削時折算到電機軸上的加速度力矩； Mt --切削時折算到電機軸上的切削負(fù)載力矩。 Ma= （N·m） （5—25） 式中；T為時間常數(shù)T=0.025s 當(dāng)n=nmax時，Mamax=Ma； nmax = =834r/min （5—26） Mamax= =2.764（N·m）=276.4（·） 當(dāng)n=nt時，Mat=Ma； （5—27） = =12.51 （r/min） Mat= =0.0395 （N·m）=3.95（·） （5—28） 當(dāng)η=0.8， f`=0.16時； =7.64（N·CM） 當(dāng)=0.9時： = （5—29） = =0.854（·）=8.54（·） = （5—30） = =13.5（·）=135（·） 從而求得，快速空載啟動所需力矩 M=Mamax+Mf+M0 =276.4+7.64+8.54 =294.88 （N·CM ） 切削時所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt =3.95+7.64+8.54+135 =155 （·） 快速進(jìn)給時所需力矩 M=Mf+M0 =7.64+8.54 =16.18 （N·CM ） 由以上分析計算可知，所需最大力矩Mmax發(fā)生在快速啟動時，即： Mmax=294.88 （N·CM ） 4）、步進(jìn)電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjm 為。 （5—31） =851.3 （N·CM ） 5）、步進(jìn)電動機的最高頻率計算； （HZ） （5—32） 電動機采用三相六拍的工作方式，經(jīng)綜合考慮，選用110BF003型的直流步進(jìn)電動機能滿足要求。 <一> 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 1、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容 經(jīng)濟型數(shù)控車床改造的橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計比較簡單，一般是步進(jìn)電動機經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進(jìn)電動機安裝在大拖板上，用發(fā)蘭盤將步進(jìn)電動機和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。 橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容有：滾珠絲杠副的設(shè)計計算及選擇、減速比的確定及減速箱的設(shè)計、步進(jìn)電動機的選擇等。 2、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 （1）、已知條件： 1）、縱向脈沖當(dāng)量 δy=0.0005mm/脈沖； 2）、縱向最高進(jìn)給速度 Vfymax=1m/min； 3）、C618車床工作臺質(zhì)量 w=40kg=4000N（根據(jù)圖形尺寸粗略計算）。 4）、時間常數(shù) T=25ms （2）、橫向進(jìn)給切削力Fx的確定 根據(jù)《機床設(shè)計手冊》可知； 橫向進(jìn)給量為縱向的1/2--1/3 ，取1/2，則切削力約為縱向的1/2。 =0.5×4712.4=2356.2（） =0.5=0.6×2356.2=1178.1（） （3）、滾珠絲杠的設(shè)計計算 滾珠絲杠在工作中承受軸向負(fù)載，使得滾珠和滾道型面間產(chǎn)生接觸應(yīng)力；對滾道型面上某一點，是交變接觸應(yīng)力。在這種交變應(yīng)力的作用下，經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后滾珠和滾道型面產(chǎn)生疲勞損傷，從而使得滾珠絲杠喪失工作性能，這是滾珠絲杠破壞的主要形式。在設(shè)計滾珠絲杠副的時候，須保證能夠它在一定的軸向負(fù)載的作用下，在回轉(zhuǎn)106轉(zhuǎn)后，滾道上雖然受滾珠壓力，但不應(yīng)有點蝕現(xiàn)象發(fā)生，此時所能承受的軸向負(fù)載成為這種滾珠絲杠能承受的最大動負(fù)載Q。 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。 1）、強度計算； 式中:K=1.4; f’=0.2,得; =2200.5 (N) 壽命值; 最大負(fù)載; ==6287.5 (N) 查參考文獻(xiàn)《實用機床設(shè)計手冊》可選用 WD2004型號的滾珠絲杠副,名義直徑為20mm,絲杠導(dǎo)程為4 mm ,螺旋角,滾珠例數(shù)為3系列,其額定動載荷為7600N,所以其強度夠用。 2）、支承方式 選用“單推—單推”的支承方式。 3）、效率計算； 式中： ---- 螺紋的螺旋升角 ---- 摩擦角 = 則： 經(jīng)驗表明：在數(shù)控化改造設(shè)計中，有普通絲杠換成滾珠絲杠，只要名義直徑相同，支承方式相同或有改善，其絲杠的強度，剛度和穩(wěn)定性計算可以不計算，因為采用類比法，改善后肯定合格。 （4）、齒輪設(shè)計 齒輪傳動比i: 式中； ---- 步進(jìn)電動機的步矩角，選為1.50， 計算出i〈 5，因此可以選一級傳動。 大小齒輪都采用45號鋼調(diào)質(zhì)，選小齒輪硬度為260HB—290HB，大齒輪硬度為220HB—250HB，精度選用六級，模數(shù)m=2mm , 齒寬b=20mm, 螺旋角α=， 齒數(shù)Z1=20，齒數(shù)Z2=66，則： 還應(yīng)該校核齒輪表面接觸疲勞強度，彎曲疲勞強度。經(jīng)校核均合格，其校核過程略。 3、步進(jìn)電動機的確定 （1）、步進(jìn)電動機步矩角的選擇； （2）、等效轉(zhuǎn)動慣量的計算 慣量對運動特性有很大影響，對加速能力，加速時驅(qū)動力矩及動態(tài)的快速反應(yīng)有直接關(guān)系，因此核算轉(zhuǎn)動慣量很有必要。 改造后的橫向伺服系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量簡圖如下: 圖5-2 改造后的縱向伺服系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量簡圖 等效步進(jìn)電動機軸的轉(zhuǎn)動慣量計算，采用下式； 式中： ----工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 ----滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 ----齒輪1的轉(zhuǎn)動慣量 ----齒輪2的轉(zhuǎn)動慣量 =×40 =1.46（·）=0.0146（） 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量： =7.8×××50=0.624（） 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： =7.8×××2=0.4（） =7.8×××2=47.36（） 電動機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略，因此總的轉(zhuǎn)動慣量： = =4.82（）=48.2 （3）、所需轉(zhuǎn)動力矩計算： 折算到步進(jìn)電動機軸的力矩可分為三種情況進(jìn)行計算。 1）、快速空載啟動時所需力矩： M=Mamax+Mf+M0 2）、 最大切削負(fù)載時所需力矩： M=Mat+Mf+M0+Mt 3）、快速進(jìn)給所需力矩 Ma= N·M 式中；T為時間常數(shù)T=0.025s 當(dāng)n=nmax時，Mamax=Ma； nmax = =833.25r/min Mamax= =1.67（N·m）=167（ N·cm） 當(dāng)n=nt時，Mat=Ma； = = =66.34 （r/min） Mat= =0.0348 （N·m）=3.48（·） 當(dāng)η=0.8， f`=0.2時； =0.193（）=1.93（·） 當(dāng)=0.9時： = = =0.18（·）=1.8（·） = = =2.84（·）=28.4（·） 從而求得，快速空載啟動所需力矩 M=Mamax+Mf+M0 =16.7+0.193+0.18 =17.073（·） 切削時所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt =0.348+0.193+0.18+2.84 =3.561 （·） 快速進(jìn)給時所需力矩 M=Mf+M0 =0.193+0.18 =0.373（·） 由以上分析計算可知，所需最大力矩Mmax發(fā)生在快速啟動時，即： Mmax=17.073（·）=170.73(N·cm) 4）、步進(jìn)電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjm 為。 =490 (N·cm) 5）、步進(jìn)電動機的最高頻率計算； （HZ） 電動機采用三相六拍的工作方式，經(jīng)綜合考慮，選用110BF003型的直流步進(jìn)電動機能滿足要求。