毕业设计（论文）-CA6140普通车床经济型数控改造（全套图纸） .doc

目 录iii目录摘要abstract21绪论31.1引言31.2机床数控改造的目的41.3数控系统的产生和发51.3.1数控系统的出现和发展51.3.2数控系统的发展趋势61.4数控改造的必要性61.5数控机床改造的优点71.6数控机床改造的设计步骤81.7 ca6140的数控改造91.7.1数控系统的选择91.7.2 cpu和存储器101.7.3 i/o接口电路111.7.4其它部件的选择112数据参数的选择及其计算132.1纵向进给系统得设计计算（装配图2）132.1.1选择脉冲当量：132.1.2计算切削力：132.1.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型：152.1.4齿轮及转距的有关计算：162.2横向进给系统的设计计算：182.2.1切削力计算：192.2.2滚珠丝杠设计计算：192.2.3齿轮及设计的有关计算：212.2.3步进电机的选择：222.3自动刀架的设计242.3.1刀架的抬起：242.3.2刀架的回转和选位252.3.2刀架的下降定位和压紧262.3.3减速机构的设计计算262.3.3蜗杆传动的设计计算302.3.4螺旋升降装置得设计计算333数控系统硬件电路设计383.1概述383.2 8088微处理器控制系统设计393.2.1主要技术特性及硬件配置393.2.2存储空间的分配393.2.3i/o地址分配393.2.4单片机部分电路设计图如图纸所示393.2.5光电隔离电路393.2.6功率放大电路403.2.7其他辅助电路414软件设计部分424.1概述424.2总体方案设计424.3插补方法的确定434.4进给控制字fcw的设置454.5环行分配器的子程序45附 录 46附 录 52致 谢57参考文献58摘 要摘要近20年来.我国数控技术和数控机床走过了引进技术、消化吸收和实现产业化的历程。目前.数控机床己经成为机床行业的新的经济增长点.发展迅速,正方兴未艾。应用数控技术对c a 6140普通车床进行自动化和精密化的改装，改装技术主要为:在车床上附加数控装置和执行元件，选择合适的机床伺服系统和计算机系统等.结果表明:经改造后的机床完全能实现加工外圆、锥度、螺纹、端面等的自动控制，提高了原机床的生产效率，降低了劳动强度采用数控技术改造的有效途径.术对企业原有机床进行改造，即发展经济型的数控机床是当前工矿企业的成功之路。 关键词：车床 数控技术 技术改造abstractabstractin the recent 20 years.our country numerical control technology and the numerical control engine bed passed through the introduction technology, the digestion have absorbed and realize the industrial production course. at present.numerical control engine bed oneself after becomes the engine bed profession the new economical point of growth.develops rapidly,is being on the rise. the application numerical control technology 6140 conventional lathes carries on automated and the precision re-equipping to c the a, the re-equipping technology mainly is:attaches the numerical control installment and the functional element on the lathe, chooses the appropriate engine bed servosystem and the computer system and so on.the result indicated that,definitely can realize the processing outer annulus, the taper, the thread, the end surface after the transformation engine bed and so on the automatic control, enhanced the original engine bed production efficiency, reduced the labor intensity to use the numerical control technology to carry on the transformation to the enterprise original engine bed, namely the development economy numerical control engine bed was the current industry and mining enterprise engine bed technological transformations effective way.keywords：lathe; numerical control technology;technological transformations41绪论1绪论1.1引言提高数控车床的可靠性已成为当前数控车床制造企业自身生存和发展的关键。在市场竞争日趋激烈的情况下,只有那些可靠性高的数控车床才能受到用户的青睐。数控车床是否可靠成为广大用户选购数控车床的重要标准。我国数控机床近年来在生产和应用领域都有较快的发展,但与工业发达国家相比,仍存在较大差距。数控技术是现代制造技术中最关键的环节之一。我国数控技术的研究应用水平还很低,严重制约着我国制造水平的提高。发展民族数控事业是迫在眉睫的大事。随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，产品的更新换代也不断加速，因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率，而且应能迅速地适应产品零件的变换。生产的需要促使了数控机床的产生，随着电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速的发展起来。从第一台数控机床（1952年 美国）问世至今，机床的数控化率在不断的提高。世界各工业国家已普遍生产和应用，日本生产机床的数控化率在1988年就已达到70%。我国从开放搞活以来，加快了数控机床技术的引进，促使我国的机床数控技术的普及和发展。当前普遍应用的微型计算机数控机床，它综合了电子技术、计算机技术、自动化技术、测量技术和机械制造等方面的最新成果，是一种灵活高效的自动化机床，是机电一体化的典型产品之一。各大企业不断设置数控机床扩大再生产和替换陈旧设备。数控机床的普及率不断提高，这种情况下，普通机床的数控改造是否必要可从以下几点说明。数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批多变零件的加工问题，能够稳定的加工质量和提高生产效率，但是应用数控机床还是受到其他条件的限制。数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小企业常是力不从心。目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代的机床闲置起来又造成浪费。国内订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。通过数控机床对具体生产有多余功能。要较好地解决上述问题，应走普通车床数控改造之路，从一些工业化国的经验者，机床的数控改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。如：日本的大企业中有近30%的机床经过数控改造，中小企业则是70%以上。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供机床数控改造服务。我国作为机床大国-为了提高机床的数控化率对普通机床进行数控改造不失为一种良策。一些发达国家如德国、美国、 日本等就非常重视对旧机床的改造， 而且已形成了一个完善的产学研结合的改造体系。 由于技术的不断进步，机床改造已成为一个永恒的课题。 我国应在这方面加大宣传力度， 走出一条适合我国国情的机床的数控改造之路。机床数控改造节省资金，同购置新机床相比一般可节省6080的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的 1/3 即使将原机床的结构进行彻底改造升级， 也只需花费购买新机床60的费用， 并可以利用现有地基。性能稳定可靠， 因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。机床经数控改造后， 即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高3-7倍。对复杂零件而言， 难度越高， 功效提高得越多。 且可以不用或少用工装，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。因此，普通机床的数控不但存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小企业更是如此。1.2机床数控改造的目的设备是企业发展生产技术和实现经营目标的物质基础。设备的技术性能和技术状态不但直接影响产品质量，还关系工时、材料和能源的有效利用，同时对企业的经济效益也会产生深远影响。设备的技术改造和更新直接影响企业的技术进步、产品开发和市场开拓。因此，从企业产品更新替代、发展品种、提高质量、降低能耗，提高劳动生产率和经济效益的实际出发，进行充分的技术分析，有针对性的用新技术改造和更新现有设备，是提高企业素质和市场竞争力的一种有效方法。据全国工业普查的统计资料介绍，截止到2000年底，数量较多涉及面较宽的金属加工机床的拥有量约为384万台，其中役龄在6 15年约为153. 2万台，约占39. 9%，役龄在16a以上约为133. 7万台，约占34. 8%。这表明我国工业制造业的装备，乃至各行各业的设备仍有相当大数量比较落后，有待改造或更新。鉴于此，采用数控技术对普通机床进行数控改造，尤其适合我国机床拥有量大，生产规模小的具体国情。1.3数控系统的产生和发展1.3.1数控系统的出现和发展第二次世界大战后，美国为革新飞机制造业中用于仿形机床的靠模和样件的加工设备，开始研制新型机床。1952年，美国帕森斯公司parsons co.)与麻省理工学院伺服机构实验室(serve mechanics laboratory of themassachusetts institute of technology)合作，研制成功第一代数控系统。用于三坐标立式铣床。其插补装置采用脉冲乘法器，整个控制装置由真空管组成。1959年，晶体管元件问世，数控系统中广泛采用晶体管和印制板电路，从此数控系统进入第二代。 1965年，出现了小规模集成电路，由于其体积较小，功耗低，抗干扰能力较强，使数控系统的可靠性得到进一步提高，数控系统发展到第三代。上述三代数控系统均为硬接线数控系统，称为普通数控系统(nc)o随着计算机技术的发展，出现了以小型计算机替代专用硬接线装置，以控制软件实现数控功能的计算机数控系统(cnc)，使数控系统进入第四代。1970年前后，美国英特尔(intel)公司首先开发和使用了四位微处理器，1974年美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统，由于中、大规模集成电路的集成度和可靠性高、价格低廉，所以微处理器数控系统得到了广泛应用。这就是微机数控系统，从而使数控系统进入了第五代。现代数控系统为了进一步扩展功能，增强实时控制能力和可靠性，常采用多微处理器结构，如siemens公司的sinumerik 840d和日本fanuc公司fanuc of系列等。由多个微处理器构成功能模块，各功能模块之间的互连与通信，或采用共享总线结构，或采用共享存贮器结构1.3.2数控系统的发展趋势1、向高速度、高精度发展现代机床数控系统多采用32位cpu和多cpu并行技术，使运算速度得了很大的提高。与高性能数控系统相配合，现代数控机床采用了交流数字伺服系统。伺服电机的位置、速度和电流环都实现了数字化。数控系统的联动轴数多达9个，使机床可以加工较复杂的空间线型或型面。2、可靠性的提高由于现代数控系统的模块化、通用化和标准化，便于组织批量生产，故可保证产品质量。现代数控系统大量采用大规模集成电路，采用专用芯片及混合式集成电路，提高了集成度，减少了元器件数量，提高了可靠性。3、采用自动程序编制技术现代数控系统利用其自身很强的存贮及运算能力，(如sinumerik 840dcpu采用pent iumiii处理器)把很多自动编程功能植入数控系统。在一些新型的数控系统中，还装入了小型工艺数据库，使得数控系统不仅具有在线零件程序编制功能，而且可以在零件程序编制过程中，根据机床性能，工件材料及零件加工要求，自动选择最佳刀具及切削用量。4、具有更高的通信功能为了适应自动技术的进一步发展，适应工厂自动化的规模越来越大的要求，为了满足不同厂家不同类型数控系统的联网需要，现代机床数控系统的通信功能不断加强，不少系统具有远程诊断功能和ethernet interface接口。实现远程通讯功能。美国通用汽车公司在1983年提出的制造自动化协议(map-manufacture automation protocol)是众多通信标准中发展最快的一个。map的主要特点是提供以开放性为基础的局部网络，使来自许多厂房的设备可以通过相同的通信协议而相互连接，由于map的出现，推动了通信标准化的进程。1.4数控改造的必要性数控机床可以较好地解决形状复杂，精密，小批及多变零件的加工问题。能够稳定加工和提高生产率，但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。1 数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小企业常是心有余而力不足。2 目前，个企业都是大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来有会造成浪费。3在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需。4 通用数控机床对具体生产有多余功能。要较好地解决上述问题，应走普通车床数控改造之路，在国外已发展成为一个新兴的工业部门，早在60年代已经开始迅速发展，并有专门企业经营这们业务。从美国，日本等工业化国家的经验看，机床的数控改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。如日本的大企业中有26%的机床经过数控改造，中小企业则是74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供数控改造业务。我国是拥有300万台机床的国家，而这些机床又大量是多年累计生产的通用机床，自动化程度低，要想在近几年内用自动化和精密设备更新现有机床，不论是资金还是我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，普通机床的数控改造，大有可为。它适合我国的经济水平，教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。1.5数控机床改造的优点数控机床改造一般是指对普通机床某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工能力。其改造的优点有：1 从提高资本效率出发，改造闲置设备，能发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值。2 适应多品种，小批量零件生产。3 自动化程度高，专业性强，加工精度高，生产效率高。4 降低对工人技术水平的要求。5 数控改造费用低，经济性好。6数控改造的周期短，可满足生产急需1.6数控机床改造的设计步骤将普通机床改造为数控机床，是一项技术性很强的工作，必须根据加工对象的要求和工厂实际情况，确定切实可行的技术改造方案，搞好机床的改造设计。其改造设计的一般工程如下1 对加工对象进行工艺分析，确定工艺方案，被加工工件既是机床改造的依据，又是机床改造后加工的对象。不同形状，不同技术要求工件，其加工方法就不同，对机床的要求也不相同。例如，对于圆柱形状的零件可用车削，外圆磨等方法加工，而平面则一般用铣削，平面磨等方法加工；对精度，表面粗糙度要求一般的外圆柱表面，常用车削加工；而精度高和表面粗糙度要求低时则要在外圆磨床上加工。在工艺分析基础上，绘制工序图，初步选定切削用量，刀具运动路线，计算生产率。然后计算切削力及切削功率，从而计算出进给系统需要的功率和力矩等。这是选择方案及驱动部件的依据，目前多用类比法或测定法完成。2 分析被改造机床，确定被改造机床类型 ，改造机床和设计机床是不同的 ，机床设计是根据设计任务书，对机床的整机进行设计，然后将机床的各组成零，部件逐一地制造，最后装成机床，而机床改造则是围绕某台机床进行工作，不仅要考虑机床本身结构的改造，还要考虑工艺系统中的刀具，夹具及其它辅具的改进，以满足生产的需要。在制定机床改造方案时，可先根据指定的工艺方案，初步选定被改造机床的类型，然后对被选定的机床进行认真分析，了解被改造机床的技术规格，技术状况，各部联系尺寸等，分析机床强度和刚度，分析被改造机床能否适应改造要求以及经济性等。最后确定被改造机床的型号。3 拟定技术措施，制定改造方案 根据加工对象的要求和被改造机床的实际情况，拟定应采取的措施，指定出机床的改造方案，选用外购件时，一定要保证质量。在拟定技术措施，指定改造方案的过程中，应充分进行技术经济分析，力求改造的机床不仅能满足技术性能的要求，还要获得最佳的经济效益，使技术的先进性与经济性较好地统一起来。4 设计或选用数控装置 在满足加工零件要求的同时，尽量使设计的数控装置功能强，稳定可靠，通用性好，价格低，或选用国内生产较好的专用数控装置。5 进行机床改造的技术设计6 绘制机床改造的工作图。7 整机安装调试。数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用,但数控机床一次性投资较大,对机床进行数控化改造不失为一良策。阐述了ca6140普通数控车床的主轴系统的改进及机床控制系统的改造, 主要介绍了对ca6 14 0车床进行经济型数控改造 ,主要包括纵向、横向进给系统及刀架的改造 ,ca6 14 0车床主轴转速部分保留原车床的手动变速功能。改造简单易行 ,可降低劳动强度 ,提高生产效率.1.7 ca6140的数控改造本设计任务是对ca6140普通车床进行数控改造。利用微机数控系统改造纵、横向进给系统，进行开环控制，纵向脉冲当量0.01mm/脉冲，横向为0.005mm/脉冲。驱动元件采用直流步进电机，传动系统采用滚珠丝杠1.7.1数控系统的选择 数控系统是机床的核心，在选择时， 要对其性能、 经济性及维修服务等进行综合考虑，尽量选用名牌产品。 根据被改机床的结构、 性能及被加工零件的精度来选择数控系统。 既要功能相匹配，又要尽量减少过剩的数控功能。 这样一方面可避免资金浪费，另一方面也可避免因数控系统复杂而增加的故障率。 目前数控系统主要有三种类型：步进电机拖动的开环系统；异步电机或直流电机拖动光栅测量反馈的闭环数控系统； 交 / 直流伺服电机拖动编码器反馈的半闭环数控系统。其中步进电机拖动的开环系统， 其伺服驱动装置主要是步进电机、 功率步进电机、 电液脉冲马达等。该系统位移精度较低， 但结构简单、 调试维修方便、质量稳定可靠、成本低、抗干扰性能强、 对环境室温要求不高，易改装成功。 适用于精度要求一般的中小型机床的改造，也是目前数控改造中应用最为广泛的一种。 异步电机或直流电机拖动光栅测量反馈的闭环数控系统控制精度高，但在结构上比开环进给系统复杂， 工作量大，成本也高， 调试困难， 一般不采用。 交 / 直流伺服电机拖动编码器反馈的半闭环数控系统， 其精度介于前二者之间，结构与调试都较闭环系统简单，适用于控制精度要求较高的大、 中型机床的改造。总体方案确定为用一个完全缓冲的8088微处理器对数据进行计算处理，由i/o接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵横向进给运动。示意图如图1所示。图1.1 总体方案在一个大的系统中，总线必须经过缓冲，这是因为8086/8088微处理器只能驱动10个负载，而大系统常常有更多的负载。由于设计的是经济型车床的改造，所以在考虑具体的方案时，其本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减少改动量，以降低成本。8088微处理器在数控改造应用较普通，各种应用软件较多，系统开发较容易，且其价格低廉，抗干扰性强，可靠性高，速度快，指令系统的效率高，体积小，最适宜用来开发简易和小型专用的数控装置。1.7.2 cpu和存储器由于8088微处理器是无片内程序存储器,需要扩展外部程序存储器,同时,8088微处理器内部只有128字节的数据存储器,也不能满足控制系统的要求,故扩展了两片2764的程序存储器和一片6264数据存储器。8088微处理器的a0-a19和d0-d7用来传送外部存储器的地址和数据,一个经过完全缓冲的8088微处理器，有8个地址引脚a15-a8，使用的是74ls244八缓冲器；8个数据总线引脚d7-d0，使用的是74ls245双向总线缓冲器；控制总线信号io/m，rd，wr，使用的是74ls244缓冲器。一个经过完全缓冲的8088系统，需要两片74ls244，一片74ls245和两片74ls373。74ls245的方向由dt/r信号控制，由den信号允许和禁止。8088微处理器的a8-a15和74ls373送出的八位地址共同组成16位地址,2764和6264芯片都是8kb,需要13根地址线,a0a12接8088微处理器的13根地址总线,系统采用全地址译码,两片2764芯片片选信号ce分别接74ls138译码器的y0和y1,系统复位后程序从0000h开始执行。6264的片选信号ce也接74ls138译码器的y2，8088微处理器控制信号m/io接2764的oe引脚,读写控制信号wr和rd分别接6264芯片的we和oe,以实现外部数据存储器的读写。1.7.3 i/o接口电路由于8088微处理器的 i/o接口使用不能满足输入输出口的需求,因而系统扩展了两片8155可编程输入输出接口电路。8155的片选信号ce分别接74ls138的y3和y4,74ls138译码器的三个输入端a、b、c分别接到8088微处理器的a13、a14、a15。i/o接口与外设的联接是这样安排的:8155(1)芯片的pa0pa5为面板上的选择开关;pb0pb7是各种运行的点动控制;pc0pc3发出刀位信号,控制刀架电机回转,到达指定的刀位,刀架夹紧之后,发出换刀回答信号,经8155(1)的pb5输入计算机,控制刀架开始进给。8155(2)芯片的pa0pa7为z、x向电机输出驱动脉冲,pb0pb3是键盘扫描输入,pb4pb7的输出是x!y向的限位控制,pc0pc5是显示器的位选信号,显示器的段选信号由8088微处理器的d0-d7控制。1.7.4其它部件的选择直流步进电动机参照金属切削机床设计简明手册选取。滚珠丝杠选取fc系列，江汉机床厂的产品样本。为内循环双螺母垫片预进，其优点是结构简单，装卸方便、刚度高。纵向进给机构的改造。拆除原机床的进给箱和溜板箱，在原机床进给箱处安装齿轮箱体，滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置，采用原固定方式。横向进给机构改造。拆除原手动机构，用于微进给和机床刀具对零件操作，原有的支承结构也保留。步进电机、齿轮箱体安装在机床后侧。纵横向进给机构都采用了一级齿轮（调隙齿轮传动）减速，调隙齿轮（可调拉弹簧式）用于消除齿轮传动中的间隙，以提高数控机床进给系统的驱动精度。在原溜板箱处安装纵、横向快速进给按钮和急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到意外情况时的紧急处理需要。ca6140数控改造的总体方案示意图图1.2 普通车床数控改造的总体方案数据参数的选择及其计算2数据参数的选择及其计算2.1纵向进给系统得设计计算（装配图2） 工作台重量：80kg 时间常数：t=25ms 滚珠丝杠导程：s=6mm 行程：l=1200 mm 脉冲当量：=0.018mm/step 步距角：=0.75/step 快速进给速度： =2m/min 加工最大直径：=400 mm 加工最大长度：1000 mm 溜板及力架重力：800n 刀架快段速度：2.4 m/min 最大进给速度：0.6 m/min 主电机功率：7.5kw 起动加速时间：30 ms 机床定位精度0.015 mm2.1.1选择脉冲当量：根据机床精度要求确定，纵向0.01mm/步。2.1.2计算切削力： 纵车外圆;由文献可知切削功率=nk式中：n电动机功率7.5kw主动系统总功率一般为0.60.7 取=0.65k进给系统功率系数：取0.96=nk=7.50.650.96=4.68kw又因= 有=6120式中v切削速度取100m/min主切削力=61204.68/100=286.416kgf=2806.88n由参考文献三可知，主切削力查表: =188kgf mmxfz=1 yfz=0.75 ktfz=1则可计算如下表: (mm)222333f(mm)0.20.30.40.20.30.4fz(kgf) 112.5152.4189.1168.7228.7283.7当=283.7 kgf时，切削深度=3mm，走刀量f=0.4 mm，此参数作为下边计算用，由参考文献三得一般外圆车削时=(0.10.6) =(0.150.7) =0.5 =0.5286.416=143.208 kgf=1403.44 n =0.6 =0.6286.416=171.8496 kgf=1684.1 n横切端面：主切削力（kgf）可取纵切的1/2= 1/2=143.208 kgf=1403.44 n取=0.6 =0.6143.208=85.9248 kgf=842.06 n=0.5=0.5143.208=71.604 kgf=701.72 n2.1.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型：纵向进给丝杠 计算进给率引力（n）纵向进给为综合导轨=k+f（+g）式中k考虑颠覆力矩影响的实验系数综合导轨取k=1.15f滑动导轨摩擦系数0.150.18，取0.16g溜板及力架重力：800 n=k+f(+ g)=1.151403.44+0.16(2806.88+800)=2191.06 n 计算最大的负载cc= fwl1/3 其中 其中 l0滚珠丝杠导轨。 初选l0=6 mm vs最大切削力f的进给速度可取最高进给速度的（1/21/3），此外vs=0.6m/min。 t使用寿命 按15000h 运转系数。按一般运转取f w=1.21.5。 l寿命以106转为1单位。 n=1000vs/ l0=10000.60.5/6=50r/min l=60nt/10=605015000/10=45 q= fm fwl1/3=451/31.22191.06=9352.04 n 滚珠丝杠螺母副的选型。根据最大动负荷q的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如。滚珠丝杠参照江汉机床厂的产品样本选取系列，滚珠丝杠直径选为30mm，型号为,其额定动载荷是10689n,所以强度足够用。 传动效率计算 螺旋升角2 44=0.94 刚度计算：滚珠丝杠受工作负载fx引起的导程l0的变化量l1= fm fm/e f其中：在工作负载fx作用下引起每一导程的变化量mm） 工作负载即进给率引力n滚珠丝杠的导程（mm）e材料弹性模数对钢e为20.6104（n/ mm2）s滚珠丝杠截面积（内径）（mm2）s=（d/2）2 d=d0+2e-2rs=36.3789s=（d!/2）2=(36.379/2) 2 3.14=10.38mm其中=（0.510.56）=1.836e=0.707(-)=0.025故 l = =2191.060.6/20.610610.38=6.142810-6cm滚珠丝杠受扭转引起的导程变化量 = +很小，忽略不计。 所以 l= += =100/0.66.142810-6=10.238m查表知e纹精度丝杠允许误差15m 10.238m15m刚度够稳定性校核： 滚珠丝杠两端用推力球轴承，支承基本不变，稳定性不存在问题。2.1.4齿轮及转距的有关计算：设计计算公式均来自参考文献三 纵向传动有关齿轮计算，传动比i=0.756/3600.01=1.25滚珠丝杠导程 步距角 脉冲当量故取 =32 =40 m=2mm b=18 =20 =m=64mm = mz2=80mm =+2ha*=68mm =84mm =d1-2hf=59mm =75mm d=+/2=72mm转动惯量的计算()工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 =(180p/) 2w=（1800.001/3.140.75）280=0.468kgfcm2()丝杠转动惯量 =7.81044.04150.0=29.95kgcm2()齿轮的转动惯量 =7.81046.441.8=2.355kgcm2 =7.81048.041.8=5.75kgcm2()电机转动惯量很小可以忽略总的转动惯量为jj=1/22（j2+j4）+j1+j3=1/1.252（29.95+5.75）+2.355+0.468=22.586kgcm23）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩m起 =+最大切削负载时所需力矩 m=+快速进给时所需力矩m= mf+式中 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩折算到电机轴上的摩擦力力矩由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力力矩切削时折算到电机轴上的加速度力矩折算到电机轴上的切削负载力矩=jn/9.6t10-4nm 当n=时， = = =20001.25/6=416.7r/min =22.586416.7/9.60.02510-4=40.0138kgfcm当n=时， s-导程6mm=10001000.41.25/3.14806=33.17r/min=22.5833.17/9.60.02510-4=0.3112nm=3.175kgfcm当=0.8，f=0.16时=0.16800.6/23.140.825=1.223kgfcm=0.9，预加载荷,则=143.2080.6(1-0.92)/63.140.81.25=0.866kgfcm=143.2080.6/23.140.81.25=13.68kgfcm所以，快速空载启动所需力矩m= + + =40.0138+1.223+0.866=42.10kgfcm切削时所需力矩m= + + + =3.175+1.223+0.866+13.68=18.95kgfcm快速进给时所需力矩：m=+=1.223+0.866=2.089kgfcm从以上数据分析，所需最大力矩mmax发生在快速启动时。2.2横向进给系统的设计计算：由于横向进给系统的设计计算与纵向类似。所用的公式不在详细说明工作台重量：30kg时间常数 ：t=25ms滚珠丝杠导程：s=6mm行程：l=226mm脉冲当量：p=0.005mm/step步距角：=0.75/step快速进给速度： =1m/min加工最大直径：210mm刀架快移速度：1.2m/min最大进给速度：0.3m/min主电机功率：7.5kw2.2.1切削力计算：横向进给量为纵向的1/31/2，取1/2。则切削力约为纵向的1/2 =1/2286.416kgf=143.208kgf在切断工件时=0.6=0.6143.208=85.925kgf =0.5=0.5143.208=71.604kgf2.2.2滚珠丝杠设计计算： 强度计算对于燕尾型导轨p=k+f(+w+2)取k=1.4 f=0.2 则fm=1.471.604+0.2(143.2+30+285.925)=169.26kgfn=1000 =30r/minx寿命值：l=60ntt/106 则l=60nt/106=603015000/106=27q=271/31.2169.26=609.33=5971.4n根据最大动负荷q的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如。滚珠丝杠参照江汉机床厂的产品样本选取系列，滚珠丝杠直径选为25mm，型号为左,其额定动载荷是7596n,所以强度足够用。 效率计算螺旋开角r=339 摩擦角 =10=tgr/tg(r+)=tg339/tg(339+10)=0.956 刚度验算横向丝杠支撑方式如下图4，最大牵引力为169.25kgf,支撑间距l=450mm图2.1 横向丝杠支撑图滚珠丝杠受工作负载p引起的导程l0的变化量为：d=+2e-2=25+20.020.650.707-20.520.65=21.96mm其中 l0=5mm e=20.6106n/cm2f=（d/2）2=3.79cm2=169.259.80.5/20.61063.79 =10.6210-6滚珠丝杠受扭距引起的导称变化量很小，可以忽略，故=21.3m/m三级精度丝杠允许误差为15m，所以刚度不够，滚珠丝杠直径亦不加大，采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小牵引力，则q=1.471.6+0.04（143.208+30+285.925）=114.5kgfl=114.059.80.5/20.61063.79=7.1610-6=7.1610-6/0.5=14.32m/m此时刚度够用 稳定性计算由于选用的丝杠直径和以前机床的丝杠的直径相同，所以稳定性不存在问题。2.2.3齿轮及设计的有关计算：传动比：i=s/3600.005=0.755/3600.005=2.08取 z1=24 z2=50 m=2mm b=20mm =20 d1=48mm d2=100mm d1=52mm d2=104mm df1=43mm df1=95mm d=74mm(1)转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量=（1800.005/3.140.75）230=0.0438kgfcm2丝杠转动惯量=7.8-42.5445=1.37kgcm2齿轮的转动惯量=7.8-44.842=0.828 kgcm2=7.8-41042=15.6 kgcm2电动机转动惯量忽略，总转动惯量 j=1/22（js+jz2）+ jz1+ js=1/2.082（1.371+15.6）+0.8281+0.0438=4.79kgcm2(2)所需转动力矩计算 = =10002.08/5=416r/min = =4.7941610-4/9.60.025=0.83nm=8.47kgfcm = =10001000.152.08/3.14805=24.84 r/min=4.7924.8410-4/9.60.025=0.0495 nm=0.506 kgfcm= =fws/2i=0.2300.5/23.140.82.08=0.287 kgfcm=85.9250.5（1-0.92）/23.140.82.08=0.781 kgfcm=85.9250.5/23.140.82.08=4.111 kgfcm快速空载起动所需转矩= + +=8.47+0.287+0.781=9.538 kgfcm切削时所需转矩= +m+ +=0.506+0.287+0.781+4.111=5.685 kgfcm快速进给时所需转矩= =0.287+0.781=1.068kgfcm从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时=9.538kgfcm=95.38n.cm2.2.3步进电机的选择：（一） 步进电机选用的基本原则 合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工作情况，经过分析才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：1 步距角a 步距角应满足：式中 i-传动比-系统对步进电机所驱动部件的最小转角。2 精度 步进电机的精度可用步距误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用积累误差衡量精度比较实用。所选用的步进电机应满足 式中 -步进电机的积累误差； -系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。3 转距 为了使步进电机正常运行（不失步，不越步），正常启动并满足对转速度的要求，必须考虑： 1） 启动力矩 一般启动力矩选取为： 式中 -电动机启动力矩 -电动机静负载力矩。根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表7-2所示。为步进电机的最大静转距，是步进电机技术数据中给出的，如表7-3，表7-4，表7-5所示。表在参考文献三2） 在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静栽力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性距之和。4 启动频率 由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足； 式中 -极限启动频率； -要求步进电机最高启动频率。（二） 步进电机的选择 1 ca6140纵向进给系统步进电机的确定 为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： =0.866所以，步进电机最大静转距为： 步进电机最高工作频率 综合考虑，查表选用110bf003型直流步进电机，能满足使用要求。 2 ca6140横向进给系统步进电机的确定 电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知： 所以，步进电机最大静转距为： 步进电机最高工作频率 为了便于设计和采购，仍然选用110bf003型直流步进电机，能满足使用要求2.3自动刀架的设计经济型数控车床一般都配有四工位自动回转刀架,它是据微机数控系统改造传统机床设备的需要,同时兼顾刀架机床上能够独立控制的需要而设计的。现有自动回转刀,其结构主要有插销式和端齿盘式。由于刀架生产厂家无一标准,因此,结构、尺寸各异。由于目前使用较多的是端齿盘式四工位自动刀架,所以就选用端齿盘式四工位自动刀架。从自动转位刀架的工作原理可知，这类刀架由控制系统直接控制，刀架能自动完成抬起，回转，选位，下降定位和压紧这样一系列的动作。下面依次讨论刀架要完成上述过程的设计原理。2.3.1刀架的抬起：利用螺纹传动将旋转运动变成轴向直线运动，从而达到抬起刀架的目的，在这种情况下完成这一功能的丝杠要竖直安放。在刀架的抬起过程中要防止刀架转动这可通过设计一个带有斜面的粗定位销和定位销槽的配合来完成，并使斜面间摩擦力产生的阻力矩，大于上述转动摩擦力矩。2.3.2刀架的回转和选位刀架由一个微电机通过传动系统来带动刀架的转动，轴线是竖直的而转速比起微电机来要慢的多，由于电机空间条件限制必须卧式安装，因此两者的转动轴线互相垂直或异面垂直，蜗轮蜗杆传动比较适合于这场合刀架从抬起变成转动的动作原理是：当刀架抬起到特定位置时由一个正在旋转的拨块带动刀架转动，因此刀架的抬起运动和转动由同一传动系统来先后完成。 刀架转过一定角度后要选位看一看转到这个位置的刀具是否符合加工要求，这一切是由于微机程序来实现具体的说当刀架转动此位置时程序自动地将改位置的编码与所需刀具编码加以比较，若相同，该刀具就选定此位，否则再移动，重复上述过程。每次转过的角度大小，由刀架的面体数量来确定由于设计的四工位刀架，每次转360/4=90；对于五方刀架，每次转360/5=72；对于六方刀架，每次转360/6=60度。刀架编码位数也各不相同。对于四方刀架，由两位二进制数即可表示完全，四个刀位编码分别为00，01，10，11。对于五方刀架，必须由三位二进制数表示，即000，001，011，110，111。六方刀架编码为000，001，011，1