2045 C618數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2045 C618數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),c618,數(shù)控車床,傳動(dòng)系統(tǒng),設(shè)計(jì) 第一章 概論一、數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史1946 年誕生了世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。6 年后，即在 1952 年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。二、國內(nèi)數(shù)控機(jī)床狀況分析（一）國內(nèi)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀近年來我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床以 FMS 模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001 年，我國機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)入世界第 5 名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第 3 位，達(dá) 47.39 億美元，僅次于美國的 53.67 億美元，消費(fèi)額比上一年增長 25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場的需求，使我國機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢，2001 年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第 2 位，達(dá) 24.06 億美元，比上年增長 27.3%。 近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎機(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。 （二）國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 1、新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位。 2、數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。 2001 年國內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá) 1.8 萬臺，比上年增長 28.5%。金切機(jī)床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率 從 2000 年的 17.4%提高到 2001 年的 22.7%。 3、數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。 三、數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1.　繼續(xù)向開放式、基于 PC 的第六代方向發(fā)展基于 PC 所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會(huì)走上這條道路。至少采用 PC 機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC 機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。2.　向高速化和高精度化發(fā)展這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。3.　向智能化方向發(fā)展隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。（1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。（2）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。（3）引入故障診斷專家系統(tǒng)（4）智能化數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)裝置可以通過自動(dòng)識別負(fù)載，而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。四、機(jī)床數(shù)控化改造的必要性（一）微觀看改造的必要性從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。1 、可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。2 、可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3～7 倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了"柔性自動(dòng)化 "。3、 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配" 。4 、可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。5、 擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人看 管加工。6、 由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺機(jī)床） ，減少 了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。（二）宏觀看改造的必要性從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在 70 年代末、80 年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化） ，最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20 年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到 1995 年只有 1.9％，而日本在 1994 年已達(dá) 20.8％，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。數(shù)控化改造的市場空間機(jī)床的數(shù)控制化改造是一個(gè)方興未的行業(yè)，從各種統(tǒng)計(jì)數(shù)字上看前途應(yīng)該是十分光明的，例如："在美國，日本和德國等發(fā)達(dá)國家，它們的機(jī)床改造人作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及數(shù)控技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是一個(gè)"永恒" 的課題。我國的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)所以不難看出：1．國內(nèi)的市場我國目前機(jī)床總量 380 余萬臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 11.34 萬臺，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近 10 年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為 0.6～0.8 萬臺，年產(chǎn)值約為 18 億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6％。我國機(jī)床役齡 10 年以上的占 60％以上；10 年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS 等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占 60％以上） 。可見我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。2. 進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從 1979～1988 年 10 年間，全國引進(jìn)技術(shù)改造項(xiàng)目就有 18446 項(xiàng)，大約 165.8 億美元。這些項(xiàng)目中，大部分項(xiàng)目為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進(jìn)項(xiàng)目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國外引進(jìn)以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時(shí)只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項(xiàng)目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動(dòng)運(yùn)行，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因?yàn)樵O(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)；有的因?yàn)槟芎母?、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進(jìn)較長時(shí)間，需要進(jìn)行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財(cái)富，反而消耗著財(cái)富。這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個(gè)包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財(cái)富。只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn)，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這也是一個(gè)極大的改造市場。機(jī)床改造的效益分析提高機(jī)床數(shù)控化效率有兩個(gè)途徑：一是購買新的數(shù)控機(jī)床；二是對舊的機(jī)床進(jìn)行改造而對于一個(gè)機(jī)床擁有量大，經(jīng)濟(jì)財(cái)力又不足的發(fā)展中國家來說，采用舊機(jī)床改造來提高設(shè)備的先進(jìn)性和數(shù)控化率是一個(gè)極其有效和使用的途徑，采用第二中方法有以下的優(yōu)點(diǎn)：1、 減少了投資和交貨的期限 同購置新的數(shù)控機(jī)床相比，一般可以節(jié)省 60%到 80%的費(fèi)用，改造的費(fèi)用大大減低。2、機(jī)械的穩(wěn)定性可靠 機(jī)床的床身，立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄鐵構(gòu)件，而鑄件越久自然失效充分，內(nèi)應(yīng)力的消除使得比新的鑄件更穩(wěn)定，這些鑄件的使用又可以節(jié)約社會(huì)資源，又減少了鑄鐵件生產(chǎn)時(shí)對環(huán)境的污染。3、熟悉了解設(shè)備結(jié)構(gòu)性能，便于操作維修，購買的新設(shè)備，事先很難前面了解機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能，以至很難預(yù)算是否完全適合加工要求，而改造則完全可以避免這種情況，并且大大縮短了對數(shù)控機(jī)床在使用和維修方面的培訓(xùn)時(shí)間，機(jī)床一旦改裝完成，很快就可以投入使用，見效較快。4、可以充分利用現(xiàn)有的條件 可以充分利用現(xiàn)有的地基，不必像購新機(jī)時(shí)重新構(gòu)筑新基，同時(shí)工夾具、樣板和外設(shè)備也可以在利用。5、可更好的因地制宜合理篩選功能 購買現(xiàn)成的通用型機(jī)床，往往對一個(gè)具體的生產(chǎn)加工有一些多余的功能，又可能缺少某一個(gè)專用的特殊功能，如向機(jī)床制造廠提出特殊定貨要求，增加某些特殊的加工要求，往往費(fèi)用大，交貨的日期又長。而采用改造方案就可以根據(jù)生產(chǎn)加工要求，采用組合的方法再某些部件設(shè)計(jì)改造成專用的數(shù)控機(jī)床。6、可及時(shí)采用最新技術(shù)，充分利用社會(huì)資源 由于技術(shù)進(jìn)步和我國機(jī)床功能部件專業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，目前已有眾多的疏忽資源支持機(jī)床方面的改造 ，如隨意采購各種尺寸的滾珠絲杠副，且交貨期短；采用貼塑導(dǎo)軌新技術(shù)，可使傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)降低五至十幾倍來防止爬行，還可以使得刮研極容易，等等例子說明有一大批社會(huì)資源，可根據(jù)技術(shù)更新的發(fā)展速度，及時(shí)地采用最新技術(shù)來提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)場改造成當(dāng)今水平的機(jī)床。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(jì)型數(shù)控改造，在考慮總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)遵循的原則是：在滿足設(shè)計(jì)要求的前途下，對機(jī)床的改動(dòng)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(jī)床工作原理及組成1. 數(shù)控機(jī)床工作原理：數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)，首先應(yīng)編制零件的加工程序，這是數(shù)控機(jī)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(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變化、起停，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jī)床的組成：數(shù)控機(jī)床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)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(jī)床的組成圖（二） 、設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)普通車床（C618）的數(shù)控改造設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：總體方案的確定和驗(yàn)證、機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)計(jì)算（包括縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算） 、主運(yùn)動(dòng)自動(dòng)變速原理及改造后的機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)、機(jī)床調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)、電磁離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算。 。本設(shè)計(jì)任務(wù)是對 C618 臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造，實(shí)現(xiàn)微機(jī)對車床的數(shù)控化控制。利用微機(jī)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(yùn)動(dòng)單位為 0.01 /脈沖，橫向最小運(yùn)動(dòng)m單位 0.005 /脈沖，主運(yùn)動(dòng)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速，刀架要改造成自動(dòng)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，要能自動(dòng)的m數(shù) 控 裝 置控 制 介 質(zhì) 測 量 裝 置伺 服 系 統(tǒng) 機(jī) 床切削螺紋。（三） 、數(shù)控部分的設(shè)計(jì)改造1、數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按其運(yùn)動(dòng)軌跡可分為：點(diǎn)位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點(diǎn)位控制系統(tǒng)只要求控制刀具從一點(diǎn)移到另外一點(diǎn)的位置，而對于運(yùn)動(dòng)軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統(tǒng)能對兩個(gè)或兩個(gè)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(jī)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(jì)改造數(shù)控機(jī)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(diǎn)是可以達(dá)到和好的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)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(jià)高。半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調(diào)速范圍寬，過載能力強(qiáng)，又采用反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)上也要有其自身的特點(diǎn)，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(jì)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(jì)方案通常有：? 可以全部自己設(shè)計(jì)制作? 可以采用單板機(jī)或 STD 模塊或工控機(jī)改制? 可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適應(yīng)化改動(dòng)在普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造中，由于第一種設(shè)計(jì)周期較長且不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)質(zhì)量也難于保證。第二種則更加不經(jīng)濟(jì)。所以不課程設(shè)計(jì)將采取第三鐘方案。（四） 、機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)1、主傳動(dòng)部分的改造設(shè)計(jì)將原機(jī)床的主軸電動(dòng)機(jī)換成變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，無級調(diào)速部分由變頻器控制。將原機(jī)床的主軸手動(dòng)變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機(jī)構(gòu)。改造后使其主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離，主軸電動(dòng)機(jī)的作用只是帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。2、進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造將原機(jī)床的掛輪機(jī)構(gòu)、進(jìn)給箱、溜板箱、滑動(dòng)絲杠、光杠等全部拆除。縱向、橫向進(jìn)給以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件經(jīng)一級齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動(dòng)。3、其它部件的改造刀架部分：拆除原手動(dòng)刀架和小拖板，安裝由微機(jī)控制的四工位電動(dòng)機(jī)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(diǎn)。二 可行性論證根據(jù)《自動(dòng)化制造系統(tǒng)》 ，可行性論證使用戶建造自動(dòng)化制造系統(tǒng)項(xiàng)目前所進(jìn)行的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析報(bào)告，是上級主管部門審定和批準(zhǔn)立項(xiàng)的基本依據(jù)。同樣，在進(jìn)行普通車床的經(jīng)濟(jì)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(jì)型數(shù)控改造的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個(gè)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(shí)施計(jì)劃，結(jié)論等。由于本設(shè)計(jì)僅作為大學(xué)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，故在此，設(shè)計(jì)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(jì)是對普通車床 C618 進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造。在改造設(shè)計(jì)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(jī)，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動(dòng)部分以及齒輪副，一臺變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，四個(gè)電磁離合器以及主傳動(dòng)部分的齒輪副。這樣設(shè)備改造費(fèi)用和舊設(shè)備費(fèi)用總計(jì)不會(huì)超過 15 萬元。因此，對普通車床作經(jīng)濟(jì)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(dòng)化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實(shí)用性。第三章 總體設(shè)計(jì)方案的確定經(jīng)總體設(shè)計(jì)方案的論證后，確定的 C618 的車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的總體方案示意圖如下圖所顯：C618 車床的主軸轉(zhuǎn)速部分采用了變頻調(diào)速交流異步電機(jī)，有級變速部分采用電磁離合器控制機(jī)構(gòu)；車床的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，齒輪減速后帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；刀架改成由微機(jī)控制，經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。為保持切削螺紋的功能，需安裝主軸脈沖發(fā)生器。改造后的總體方案示意圖如圖 3-1 所示：圖 3-1 總體方案設(shè)計(jì)圖步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī)車 床加 工 工 件 圖 紙 工 件 變 速 箱數(shù) 控 程 序編 制 變 速 箱 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī)手 工 輸 入 或 計(jì) 算 機(jī) 控 制 計(jì) 算 機(jī)功 率 放 大 器存 儲(chǔ) 裝 置第四章 主傳動(dòng)部分改造與設(shè)計(jì)在改造設(shè)計(jì)之前，讓我們先來看一下數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)與普通機(jī)床相比所具有的特點(diǎn)：1）采用調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以滿足主軸根據(jù)數(shù)控指令進(jìn)行自動(dòng)變速的需要；2）傳動(dòng)路線短，從而簡化了主傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)；3）轉(zhuǎn)速高、功率大；數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床傳動(dòng)要求外，還應(yīng)滿足如下要求：具有更大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。 數(shù)控機(jī)床就要為了保證加工時(shí)能選用合理的切削用○ 1量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)效率、加工精度和表面質(zhì)量，必須有更高的轉(zhuǎn)速和更多的調(diào)速范圍。為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì)的要求，主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。②具有較高的精度和剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。 數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動(dòng)件的制造精度與剛度，齒輪齒面進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱淬火增加耐磨性；最后一級采用斜齒輪傳動(dòng)，使傳動(dòng)平穩(wěn)；采用高精度軸承及合理 的支承跨距等，以提高主軸件的剛性。③具有良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動(dòng)部件不平衡以及切削過程中的自激振動(dòng)等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具和或零件，使加工無法進(jìn)行。因此在主傳動(dòng)系統(tǒng)中的各主要零部件不但要求有一定的靜剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動(dòng)的能力——抗振性?？拐鹦杂脛?dòng)剛度或動(dòng)柔度來衡量。如果把主軸組件視為一個(gè)等效的單自由度系統(tǒng)，則動(dòng)剛度 與動(dòng)力參數(shù)的dk關(guān)系為：= (4-1)dk221??????????????nn??式中: —機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜剛度（ ） ；mN?/—外加激振力的激振頻率（Hz） ；?—主軸組件的固有頻率（ = ， 為當(dāng)量質(zhì)量， 為當(dāng)量靜剛度） ；n n?kk—阻尼比（ = ， 是阻尼系數(shù)， 是臨界阻尼系數(shù)， = ） 。?c?c?c?nm?2由上式可見，為提高主軸組件的抗震性，須使 值較大，為此應(yīng)盡量使阻尼比、當(dāng)量剛度值或固有頻dk率的值較高。在設(shè)主傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，要注意選擇上述幾個(gè)參數(shù)的合理關(guān)系。一、主傳動(dòng)部分改造方案擬定和設(shè)計(jì)的內(nèi)容異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有變頻調(diào)速、變極調(diào)速、辯轉(zhuǎn)差調(diào)速三種。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為ni= p60f1從該公式中可以看出，若均勻地改變電源的頻率 f1，就可以連續(xù)地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速，它完全不同于其它的調(diào)速方法。改變異步電動(dòng)機(jī)的磁極對數(shù)調(diào)速的方法稱為變極調(diào)速。改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。表 4.1 異步電動(dòng)機(jī)各種調(diào)速方法性能指標(biāo)的比較調(diào) 速 方 法變 轉(zhuǎn) 差 率項(xiàng) 目變 頻 變 極轉(zhuǎn)子串電阻 串極調(diào)速 調(diào)壓調(diào)速 電磁調(diào)速電機(jī)是否改變同步轉(zhuǎn)速變 變 不 變 不 變 不 變 不 變靜差率?。ê茫┬。ê茫┐螅ú睿┬。ê茫╅_環(huán)時(shí)大閉環(huán)時(shí)小開環(huán)時(shí)大閉環(huán)時(shí)小調(diào)速范圍（D）較大（ 10 以上）較?。?—4）小（2）較?。?—4）閉環(huán)時(shí)較大閉環(huán)時(shí)較大調(diào)速平滑性好（無級調(diào)速）差（有級調(diào)速）差（有級調(diào)速）好（無級調(diào)速）好（無級調(diào)速）好（無級調(diào)速）適應(yīng)負(fù)載類型恒轉(zhuǎn)矩恒功率恒轉(zhuǎn)矩恒功率恒轉(zhuǎn)矩 恒轉(zhuǎn)矩通風(fēng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩通風(fēng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩設(shè)備投資多 少 少 較 多 較 少 較 少調(diào)速指標(biāo)電能損耗較 小 小 大 較 小 大 大異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速有調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較好的優(yōu)點(diǎn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)恒功率或恒轉(zhuǎn)矩變速，整個(gè)調(diào)速特性與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速十分相似，并可與直流調(diào)速相媲美。目前變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)最主要的調(diào)速方法。通過上序的比較本課程設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法采用變頻調(diào)速的方法。改換主軸電動(dòng)機(jī)，換成調(diào)速電動(dòng)機(jī).通過對電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制再加以簡單的齒輪調(diào)速來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速，齒輪調(diào)速部分用磁離合器控制齒輪嚙合。圖 4 -1 主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖數(shù)控機(jī)床主軸變速方式主要有無級調(diào)速、分段無級調(diào)速和內(nèi)置電機(jī)變速等。在本設(shè)計(jì)中采用分段無級調(diào)速。無級變速能夠選用最合理的切削用量，可在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，操作方便，簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)。無級變速主要是利用直流和交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)。但直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)恒功率調(diào)速范圍很小，一般只有 1～2，很少到 3～4，且換向有限制，現(xiàn)大多采用交流變頻主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的性能與直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)類似，在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率區(qū)域。一般主軸調(diào)速電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍為 3～4，對于恒功率變速范圍大的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，需要增加變速齒輪，以保證主軸上較大的恒功率范圍?？紤]本設(shè)計(jì)機(jī)床要求采取交流變頻電動(dòng)機(jī)和有級變速箱配合的方案即分段無級變速，主軸的正反轉(zhuǎn)和制動(dòng)停止，由數(shù)控指令直接控制電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。利用車床的主軸交流異步電動(dòng)機(jī)、變頻器、數(shù)控單元 構(gòu)成了變頻調(diào)速系統(tǒng)。交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 與頻率 ，電動(dòng)機(jī)的級對數(shù) 及ENCnfp轉(zhuǎn)差率 之間的關(guān)系為 = ,由此可知，改變電源的頻率 ，即可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)snpsf/)1(60?速 與頻率 成正比?？紤]本設(shè)計(jì)機(jī)床的要求，采取交流變頻電動(dòng)機(jī)和有級變速箱配合的方案，即分nf段無級變速。主軸的正、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)停止由數(shù)控指令直接控制電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。其主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖 4-1 所示；如圖 4-2 所示是機(jī)床主軸要求的功率特性和轉(zhuǎn)矩特性。這兩條特性曲線是以計(jì)算轉(zhuǎn)速 nj為分界，從 nj至最高轉(zhuǎn)速 nmax的區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，任意轉(zhuǎn)速下主軸都可輸出額定的功率，在該區(qū)域內(nèi)，最大轉(zhuǎn)矩則隨主軸轉(zhuǎn)速下降而上升。從最低轉(zhuǎn)速 nmin 至 nj的區(qū)域Ⅱ?yàn)楹戕D(zhuǎn)矩區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)，最大轉(zhuǎn)矩不再隨轉(zhuǎn)速下降而上升，任何轉(zhuǎn)速下可能提供的轉(zhuǎn)矩都不能超過計(jì)算轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩，這個(gè)轉(zhuǎn)矩就是機(jī)床主軸的最大轉(zhuǎn)矩 Mmax。在區(qū)域內(nèi)，主軸可能輸出的最大功率 Pmax，則隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降。通常，恒功率區(qū)約占整個(gè)主軸變速范圍的 2/3—3/4；恒轉(zhuǎn)矩區(qū)約占 1/4—1/3。如圖 4-3 所示是變速電動(dòng)機(jī)的功率特性。從額定轉(zhuǎn)速 nd到最高轉(zhuǎn)速 nmaxde 區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)；從最低轉(zhuǎn)速 nmin 至 nd的區(qū)域Ⅱ 為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。直流電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速常為 1000 r/min—1500 r/min。從nd至 nmax用調(diào)節(jié)磁通的方法得到，稱為調(diào)磁調(diào)速；從 nmin至 nd用調(diào)節(jié)電驅(qū)電壓的辦法得到，稱為調(diào)壓調(diào)速。交流調(diào)頻電動(dòng)機(jī)用調(diào)節(jié)電源頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。額定轉(zhuǎn)速常為 1500 r/min。這兩種電動(dòng)機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為 2—4；恒轉(zhuǎn)矩變速范圍則可達(dá) 100 以上。圖 4-2 主軸的功率轉(zhuǎn)矩特性 圖 4-3 變速電動(dòng)機(jī)的功率特性所謂分段無級變速就是在交流或直流電機(jī)無級調(diào)速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速。它能夠?qū)崿F(xiàn)中、高速段的恒功率傳動(dòng)，低速段的恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)。在該系統(tǒng)中，主軸的正、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)停止，通過數(shù)控指令直接控制電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。主軸的變速則有電動(dòng)機(jī)的無級變速與齒輪的有機(jī)變速相配合來實(shí)現(xiàn)。二、主傳動(dòng)部分改造設(shè)計(jì)計(jì)算主傳動(dòng)部分改造設(shè)計(jì)計(jì)算包括電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)于選擇, 主傳動(dòng)系統(tǒng)分段無級變速傳動(dòng)方案的確定與分析, 數(shù)控機(jī)床分級變速箱的設(shè)計(jì),電磁離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算,機(jī)床調(diào)速電機(jī)控制電路圖的設(shè)計(jì).（一） 、電動(dòng)機(jī)的選擇根據(jù)原機(jī)床參數(shù)及要求初選改造后車床主軸變速范圍 Rn=100，n max=3000r/min，n min=30r/min；主傳動(dòng)機(jī)械總效率系數(shù) η=0.9，最大切削功率為 10kw，最小切削功率為 3kw。則電機(jī)初選功率應(yīng)為PD>10vkw,根據(jù)電機(jī)規(guī)格，可選用 11kw 或者 15kw 的電機(jī)。表格 4。2 電機(jī)選擇兩種方案對比交 流 主 軸 電 機(jī) 主 軸 與 變 速 機(jī) 構(gòu)型 號PD（kw） RDP NDsmin RDT nj RnP RnT RF i∑YP160M2-4 11 3 450 3.3 83 30 3.3 10 1/18YP160L-4 15 3 335 4.5 112 22.3 4.5 7.44 1/13.42、電機(jī)最小輸出功率1） 、計(jì)算主軸在最底轉(zhuǎn)速達(dá)到最小功率是電機(jī)應(yīng)輸出的功率Pdsmin= =3/0.9=3.3kw (4-2)?nmi2） 、算電機(jī)實(shí)用的最底轉(zhuǎn)速 nDsmin（r/min）由式 nDsmin= (4-3) DdsmiP?計(jì)算結(jié)果 : 11kw 的電機(jī)為：n Dsmin=450r/min （n d=1500r/min）15kw 的電機(jī)為：n Dsmin=333r/min （n d=1500r/min）式中：n d---電機(jī)的基本轉(zhuǎn)速 r/min；PD---電機(jī)額定功率 kw。由此，設(shè)計(jì)者選用功率為 11kw、型號為 YP160M2-4 的交流調(diào)頻電機(jī)。（二） 、主傳動(dòng)系統(tǒng)分段無級變速傳動(dòng)方案的確定與分析1、電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的計(jì)算電機(jī)的選擇1） 、電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 TDd（N/m）為TDd= =70N·M (4-4)1509n9PdD??2） 、電機(jī)最小轉(zhuǎn)矩 Tdmin（N·M）Tdmin= =23.2N·M (4-5)dMaxn9其中電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 ndmax=4500r/min3） 、電機(jī)實(shí)用恒轉(zhuǎn)矩區(qū)變速范圍RDT= =3.3 (4-6)dmin4） 、主軸恒轉(zhuǎn)矩區(qū)變速范圍RnT=RDT=3.3 (4-7)5） 、電機(jī)恒功率區(qū)變速范圍RdP= =3 (4-8)dmaxn2、主軸參數(shù)計(jì)算1） 、主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速 njnj= (4-9)3.0minaxi)(?= 3.0=120r/min 2） 、主軸恒功率變速范圍 RnPRnP= = =25r/min (4-10)jmaxn12033） 、分級變速機(jī)構(gòu)的變速范圍 RFRF= = =8.3 (4-11)DPnp325其中：R nP-----主軸恒功率區(qū)變速范圍RDP-----電機(jī)恒功率區(qū)變速范圍4） 、主傳動(dòng)系統(tǒng)總降速比 i∑i∑ = = =1/12.5 (4-12)djn1502(三)、數(shù)控機(jī)床分級變速箱的設(shè)計(jì)1、數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速自動(dòng)變換過程在數(shù)控機(jī)床上,特別是在自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床上應(yīng)根據(jù)刀具與工藝要求進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速的自動(dòng)變速。在零件加工工程序中用 S 兩位代碼指定主軸轉(zhuǎn)速的序號，或用四位代碼指定主軸轉(zhuǎn)速的沒分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，并且用 M 兩位代碼指定主軸的正、反向啟動(dòng)和停止。采用直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的主運(yùn)動(dòng)無級變速系統(tǒng)中，主軸的正、反啟動(dòng)和停止制動(dòng)是直接控制電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，主軸轉(zhuǎn)速的變換則由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變換與齒輪有級變速機(jī)構(gòu)的變換相配合來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)床主運(yùn)動(dòng)變速系統(tǒng)中主軸的轉(zhuǎn)速 n 是如何由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、齒輪有級變速級數(shù)相配合來實(shí)現(xiàn)的，為了獲得主軸的某一轉(zhuǎn)速必須接通相應(yīng)的有級變速級數(shù)和電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓轉(zhuǎn)速 nY或調(diào)磁轉(zhuǎn)速 nC。理論上說電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以無級調(diào)速，但是，主軸轉(zhuǎn)速 S 代碼最多只有 99 種，即使是使用 S 四位代碼直接指定主軸轉(zhuǎn)速，也只能按一轉(zhuǎn)遞增，而且分級越多指令信號的個(gè)數(shù)越多，更難于實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)際上還是將主軸轉(zhuǎn)速按等比數(shù)列分成若干級，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速的 S 代碼發(fā)出相應(yīng)的有級級數(shù)與電機(jī)的調(diào)速信號來實(shí)現(xiàn)主軸的住動(dòng)變速。電機(jī)的調(diào)壓或調(diào)磁變速，由電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)轉(zhuǎn)速指令電壓信號來變換。齒輪有級變速則才用夜壓或電磁離合器實(shí)現(xiàn)。2、分級變速箱的設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的分級變速箱由于位于調(diào)速電機(jī)與主軸之間,因此,設(shè)計(jì)時(shí)除遵循一般有級變速箱設(shè)計(jì)原則外,必須處理好公比的選擇.在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床分級變速箱時(shí),公比的選取有以下三種情況:a、取變速箱的公比 Φ 等于電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 RdP ,即 Φ= R dP 。b、如果為了簡化變速箱的結(jié)構(gòu)，希望變速級數(shù)少一些，則不得不取較大的公比。c、數(shù)控車床在切削階梯軸、成行螺旋面或端面時(shí)，有時(shí)需要進(jìn)行恒線速切削。經(jīng)綜合分析比較選有第 a 種情況的公比。 (1)、取變速箱的公比 Φ 等于電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 RdP ,即 Φ= RdP .則機(jī)床主軸的恒功率變速范圍為RnP=Φ Z-1RdP=Φ Z (4-13)變速箱的變速級數(shù)Z= = =2.93 (4-14)?lgnpl325其中: R nP-----主軸恒功率區(qū)變速范圍 R nP=25Φ-----變速箱的公比 Φ= R dP=3Z 必須是整數(shù)，可取變速箱的變速級數(shù) Z=3。其轉(zhuǎn)速圖如圖 4-4（a）所示。電動(dòng)機(jī)經(jīng)定比傳動(dòng)2：3，使變速箱的軸Ⅰ得到 3000r/min—1000r/min（恒功率）和 1000 r/min--270 r/min（恒轉(zhuǎn)矩）的轉(zhuǎn)速。如果經(jīng)Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ軸之間的兩對 1：1 的齒輪傳動(dòng)，主軸能得到 3000 r/min --1000 r/min 恒功率轉(zhuǎn)速范圍。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速 n 降到 1000 r/min 時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降到 1500 r/min（額定轉(zhuǎn)速） 。如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，則將進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，最大輸出功率也將隨之下降。表現(xiàn)在圖 4-4（b）的功率特性圖上，主軸轉(zhuǎn)速為 3000 r/min--1000 r/min 時(shí)，為 ab 段，是恒功率。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，最大輸出功率將沿 bc 段虛線下降。圖 4-4 傳動(dòng)系統(tǒng)及功率特性圖當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降到 1000 r/min 時(shí)，變速箱變速，經(jīng)（1/1）*（1/3）傳動(dòng)主軸。這時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)地回到最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動(dòng)機(jī)又從 4500 r/min 降到 1500 r/min 時(shí)，主軸從 1000 r/min 降到 333 r/min，還是為恒功率。在功率特性圖上為 bd 段。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降到 333 r/min 時(shí)，變速箱變速，經(jīng)（1/3）*（1/3）=1/9 轉(zhuǎn)動(dòng)主軸。電動(dòng)機(jī)又回到最高轉(zhuǎn)速。主軸從 333 r/min 降到 111 r/min，在特性圖上為 df 段。主軸 111 r/min 的轉(zhuǎn)速已低于原要求的計(jì)算轉(zhuǎn)速，以下進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩段?？侩妱?dòng)機(jī)繼續(xù)降速得到，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降到 405 r/min 時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速降到 405*（ 2/3）*（1/9）=30 r/min，即為主軸的最低轉(zhuǎn)速，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大輸出功率為：P2= Pd=0.27 Pd (4-15)1504即為額定功率 Pd的 27% 。在圖 4-4（b）中，abdf 應(yīng)為一條直線。為了清楚起見，把它畫成三段，并略錯(cuò)開?？梢钥闯?，主軸恒功率變速范圍 af 是由 3 段組成的，每段的變速范圍為電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 RdP=3。所以，變速箱的公比 Φ= RdP 。電動(dòng)機(jī)的功率根據(jù)主軸的需要選擇。主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速為 f 點(diǎn)的轉(zhuǎn)速（111r/min） 。表 4.3 為主軸轉(zhuǎn)速與有級級數(shù)和電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)磁轉(zhuǎn)速的關(guān)系.表 4.3 主軸轉(zhuǎn)速與有級級數(shù)和電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)磁轉(zhuǎn)速的關(guān)系n/r?min-1 有級級數(shù) nY/r?min-130≦n 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算1、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容經(jīng)濟(jì)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(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及減速箱安裝在車床的車尾。書控車床通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，帶動(dòng)刀架左右移動(dòng)?？v向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算及選擇、減速比的確定及減速箱的設(shè)計(jì)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇等。2、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算（1）已知條件：1） 、縱向脈沖當(dāng)量 δ p=0.001mm/脈沖；2） 、縱向最高進(jìn)給速度 V fymax=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(jì)算） 。4） 、時(shí)間常數(shù) T=25ms（2） 、縱向進(jìn)給切削力 Fz 的確定根據(jù)《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》查出，=3～5% （5—1）adfP式中： P df ----進(jìn)給系統(tǒng)所需電機(jī)功率Pa -----主傳動(dòng)電機(jī)功率由前面的設(shè)計(jì)計(jì)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(jī)床設(shè)計(jì)手冊》查出，F(xiàn)y= （5—3）fdVP6120??式中：η f----進(jìn)給系統(tǒng)效率，其范圍為 0.15～0.20，取 η f =0.175Vf-----進(jìn)給速度（m/min） ，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》可知：Vf=（1/2～1/3）·V fymax （5—4）取 V f=（1/2）V fymax=1 m/min 則 F Z=4712.4 (N)當(dāng) FZ=4712.4N 時(shí)，切削深度 ap=2mm，走刀量 f=0.3mm .以此參數(shù)作為下面計(jì)算的依據(jù)，從《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》中可知，在一般圓切削時(shí)：=（0.1～0.6） （5—5）xzF=（0.15～0.7） （5—6）yz=0.5 =0.5×4712.4=2356.2（ ）xFz N=0.6 =0.6×4712.4=2827.44（ ）yz（3） 、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)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(diǎn)，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(jì)滾珠絲杠副的時(shí)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(diǎn)蝕現(xiàn)象發(fā)生，此時(shí)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(dòng)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(jì)歸結(jié)為滾珠絲杠副型號的選擇。1） 、額定動(dòng)載荷與計(jì)算動(dòng)載荷 C 從《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》中查得：（5—7）dHdhFfnC??式中: f h ---- 壽命系數(shù)fd ---- 載荷性質(zhì)系數(shù)fH ---- 動(dòng)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(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》可知：選工作壽命: L h =15000h, 則fh = =3.107 （5—8）3/1)50(選載荷性質(zhì)系數(shù): f d =1.35;選動(dòng)載荷硬度系數(shù):f H =1.0;轉(zhuǎn)速系數(shù): f n = ; （5—9）3/1).(V =1000mm/min根據(jù)上述選擇的情況下,計(jì)算結(jié)果如表 5.1 所示;表 5.1 動(dòng)載荷計(jì)算絲杠導(dǎo)程 L0/mm 12 10 8 6n =V/L0 (r/min) 8303 100 125 166.7fn 0.737 0.693 0.694 0.584c/n 26883 28590 30813 33926綜合導(dǎo)軌車床絲杠的軸向力:（5—10）W)(Ff'kZX??式中:K=1.15; f’=0.15—0.18,取 0.16.得;=3623.6 (N)10)(472.0.162351. ???壽命值;（5—11）810510tnL66ii ??最大負(fù)載;（5—12）FfLQHw3i??= =11395.8 (N)6.231.8查參考文獻(xiàn)《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)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(dòng)載荷為 33300N,所以其強(qiáng)度夠用。'4o??2） 、支承方式選用“單推—單推”的支承方式。3） 、效率計(jì)算；（5—13）)(?????tg式中： ---- 螺紋的螺旋升角 ?'34o?---- 摩擦角 ； 所以， = 則：?0..?t ?''4513（5—14）%97)4513(''''??otg?經(jīng)驗(yàn)表明：在數(shù)控化改造設(shè)計(jì)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(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性計(jì)算可以不計(jì)算，因?yàn)椴捎妙惐确ǎ纳坪罂隙ê细?。?） 、齒輪設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)比 i:（5—15） 517.40.36510????pLi??式中； ---- 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步矩角，選為 1.50，計(jì)算出 i〈 5，因此可以選一級傳動(dòng)。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= ，02齒數(shù) Z1=18，齒數(shù) Z2=75，則：（5—16）3618??mzd 150722???mzd（5—17）93)(1?da還應(yīng)該校核齒輪表面接觸疲勞強(qiáng)度，彎曲疲勞強(qiáng)度。經(jīng)校核均合格，其校核過程略。3、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的確定（1） 、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩角的選擇；（5—18）00 5.107.436????Lip??（2） 、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算慣量對運(yùn)動(dòng)特性有很大影響，對加速能力，加速時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩及動(dòng)態(tài)的快速反應(yīng)有直接關(guān)系，因此核算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很有必要?？v向伺服系統(tǒng)改進(jìn)后等效轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量簡圖等效步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算，采用下式；（5—19）??121JJizzs??式中： ----工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1J----滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量s----齒輪 1 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1zJ ----齒輪 2 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2zJ= （5—20）1WP80?????????= ×100=0.146（ · ）25.43?kgf2cm滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： =7.8× （5—21）sJ410?D1L=7.8× × ×140=45.741（ ）5. ?kgf2cm齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： =7.8× × ×2=0.262（ ） 1zJ4?63=7.8× × ×2=78.975（ ） 2z01?kf2c電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，因此總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：=J??121Jizzs?= ?146.02.975.84.57. ???????=7.58（ ）=75.8?kgf2cm)(cN?（3） 、所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算：折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸的力矩可分為三種情況進(jìn)行計(jì)算。1） 、快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩：M=Mamax+Mf+M0 （5—22）2） 、 最大切削負(fù)載時(shí)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：M amax--空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；Mf --折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；M0 --由絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；Mat--切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；Mt --切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。Ma= （N·m） （5—25）4106.9??TJn式中；T 為時(shí)間常數(shù) T=0.025s當(dāng) n=nmax時(shí)，M amax=Ma；nmax = =834r/min （5—26）107.420mx?LiVMamax= 45.69837??=2.764（N·m）=276.4（ · ）Ncm當(dāng) n=nt時(shí)，M at=Ma；（5—27）0Lfi主nt?= 17.43?=12.51 （r/min）Mat= 4025.698?=0.0395 （N·m）=3.95（ · ）Ncm（5—28）iwLff??0'?當(dāng) η=0.8， f`=0.16 時(shí)；17.480.326?fM=7.64（N·CM）當(dāng) =0.9 時(shí)： = （5—29）0?0??206???iLFx= ??29.17.481.3?=0.854（ · ）=8.54（ · ）kgfcmNc= （5—30）tMiLFx??20= 17.480.32?=13.5（ · ）=135（ · ）kgfcmNc從而求得，快速空載啟動(dòng)所需力矩M=Mamax+Mf+M0=276.4+7.64+8.54=294.88 （N·CM ）切削時(shí)所需力矩M=Mat+Mf+M0+Mt=3.95+7.64+8.54+135=155 （ · ）Ncm快速進(jìn)給時(shí)所需力矩M=Mf+M0=7.64+8.54=16.18 （N·CM ）由以上分析計(jì)算可知，所需最大力矩 Mmax發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)，即：Mmax=294.88 （N·CM ）4） 、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjm 為。（5—31）86.0486.0max??Tjm..29=851.3 （N·CM ）5） 、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高頻率計(jì)算；（H Z） （5—32）3.01.620maxax ???pVf?電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)能滿足要求。橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算1、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床改造的橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較簡單，一般是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)安裝在大拖板上，用發(fā)蘭盤將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動(dòng)精度。橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算及選擇、減速比的確定及減速箱的設(shè)計(jì)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇等。2、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算（1） 、已知條件：1） 、縱向脈沖當(dāng)量 δ y=0.0005mm/脈沖；2） 、縱向最高進(jìn)給速度 V fymax=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(jì)算） 。4） 、時(shí)間常數(shù) T=25ms（2） 、橫向進(jìn)給切削力 Fx的確定根據(jù)《機(jī)床設(shè)計(jì)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（ ）z N=0.5 =0.6×2356.2=1178.1（ ）xFz（3） 、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)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(diǎn)，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(jì)滾珠絲杠副的時(shí)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(diǎn)蝕現(xiàn)象發(fā)生，此時(shí)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(dòng)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(jì)歸結(jié)為滾珠絲杠副型號的選擇。1） 、強(qiáng)度計(jì)算；W)(Ff'kZX??式中:K=1.4; f’=0.2,得;=2200.5 (N)40)(2356.0.1784. ??壽命值;1.010t6nL6ii ??最大負(fù)載; FfLQHw3i??= =6287.5 (N)20.51.5查參考文獻(xiàn)《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)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(dòng)載荷為 7600N,所以其強(qiáng)度夠用。'39o??2） 、支承方式選用“單推—單推”的支承方式。3） 、效率計(jì)算；)(?????tg式中： ---- 螺紋的螺旋升角 ?'39o?---- 摩擦角 = 則：?'1096.)3('''??otg?經(jīng)驗(yàn)表明：在數(shù)控化改造設(shè)計(jì)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(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性計(jì)算可以不計(jì)算，因?yàn)椴捎妙惐确ǎ纳坪罂隙ê细?。?） 、齒輪設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)比 i:53.0.364510????pLi??式中； ---- 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步矩角，選為 1.50，計(jì)算出 i〈 5，因此可以選一級傳動(dòng)。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= ，02齒數(shù) Z1=20，齒數(shù) Z2=66，則：401???mzd3262 86)(212??da還應(yīng)該校核齒輪表面接觸疲勞強(qiáng)度，彎曲疲勞強(qiáng)度。經(jīng)校核均合格，其校核過程略。3、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的確定（1） 、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩角的選擇；00 5.147.0.36????Lip??（2） 、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算慣量對運(yùn)動(dòng)特性有很大影響，對加速能力，加速時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩及動(dòng)態(tài)的快速反應(yīng)有直接關(guān)系，因此核算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很有必要。改造后的橫向伺服系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量簡圖等效步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算，采用下式； ??121JJizzs??式中： ----工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1----滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量sJ----齒輪 1 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1z----齒輪 2 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2zJ= ×401J25.4308???????=1.46（ · ）=0.0146（ ）kgf2m?kgf2cm滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： =7.8× × ×50=0.624（ ）sJ410?f2齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： =7.8× × ×2=0.4（ ）1z4??kgf2cm=7.8× × ×2=47.36（ ）2zJ042.13電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，因此總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：=J??0146.64..73.2???????=4.82（ ）=48.2?kgf2cm)(2cN?（3） 、所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算：折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸的力矩可分為三種情況進(jìn)行計(jì)算。1） 、快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩：M=Mamax+Mf+M02） 、 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩：M=Mat+Mf+M0+Mt3） 、快速進(jìn)給所需力矩Ma= N·M416.9??TJn式中；T 為時(shí)間常數(shù) T=0.025s當(dāng) n=nmax時(shí)，M amax=Ma；nmax = =833.25r/min43.10mx?LiVMamax= 25.698??=1.67（N·m）=167（ N·cm）當(dāng) n=nt時(shí)，M at=Ma；=0Lfi主nt?01DVfi