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C6140車床數(shù)控化改造之機械系統(tǒng)改造
內容摘要
利用數(shù)控系統(tǒng)改造車床是提高老設備利用率的一種重要手段。改造后的機床除了能加工平面及孔等簡單的零件外，還能加工形狀復雜（如加工圓弧面、斜面及凸輪等）的零件，具有高精、高效及加工面廣等特點，還可以減少人工的工作量，只要輸入一定的加工程序就可以得到相應的加工結果
本文介紹了一種C6140車床數(shù)控改造的機械系統(tǒng)部分改造的一種方案。改造后機床利用微型計算機控制伺服電機轉動，縱橫向進給運動改造成分別用伺服電機來控制，普通絲杠被改裝成一對齒輪和滾珠絲杠，伺服電機帶動齒輪運動，再將動能傳到滾珠絲杠，滾珠絲杠轉動使工作臺移動。論文最后對系統(tǒng)的誤差及精度進行分析，并提出改進的方法、建議。
關鍵詞：數(shù)控改造 機械系統(tǒng) 開環(huán)系統(tǒng) 伺服電機
Abstract
Utilizing NC system reforms lathes is an important method to heighten the rate of old equipments. The innovated lathe characterizes high precision 、high efficiency and wide-machining and so forth, and it can save workload .Only some machining program input ,the corresponding result will be done
This article introduces a way of economic NC reform of C6140 lathe at its mechanical system .The reformed system uses microcomputer to control the servo electromotor. The x-axis and y-axis forward-moving systems are controlled by respective electromotor . The ordinary screw lever will be changed into a pair of gears and rolling-bead screw lever. The servo motor will drive gear to move , and then spread the kinetic energy to rolling-bead screw lever, and the rolling-bead screw lever run and move the gears .In the end ,making an analysis on the error margin and the precision and giving methods for amelioration and advice
Key words: NC reform mechanical system open-hoop system servo motor
目 錄
前言 5
正文 13
1總體設計方案 13
1．1對機床改造的方案 13
1．2實現(xiàn)的目標 14
2.傳動系統(tǒng)的改造 15
2．1機械部分的數(shù)控化改造 15
2．2進給傳動系統(tǒng)的改造 15
2．2．1改造要求 15
2．2．2進給機構的改造 15
2．2．3導軌副的改造 16
2．3縱向（Ｘ向）進給系統(tǒng)改造 16
2．3．1改造要求及目標 16
2．3．2縱向進給系統(tǒng)的設計 17
2．3．3切削力的計算 17
2．3．4滾珠絲杠設計計算 18
2．3．5有關齒輪計算 19
2．3．6轉動慣量的計算 20
2．3．7所需轉動力矩的計算 21
2．4橫向（Y向）進給系統(tǒng)設計與計算 22
2．4．1切削力計算 22
2．4．2滾珠絲杠設計計算: 22
2．4．3齒輪及轉矩的計算： 24
2．4．4轉動慣量的計算 24
2．4．5所需轉動力矩的計算 25
3．1步進電機選用的基本原則 26
3．2步進電機的選擇 27
4．分析誤差來源 28
4．1機械結構原因 28
4．2齒輪副誤差補償分析 28
4．3滾珠絲杠副誤差補償分析 28
結論 29
致謝 30
前言
由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，普通機床已經越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動生產率的要求如果設備全部更新?lián)Q代，不僅資金投入太大成本太高，而且原有設備的閑置又會造成極大的浪費。所以最經濟的辦法，就是對原有設備進行經濟型數(shù)控改造。這樣既可以提高生產率，改善加工工藝還可以減少資金投入。因此方法對于中小型企業(yè)是十分有效的。
該課題來源于生產實踐的需要，利用大量閑置舊機床，對起進行數(shù)控化改造后，成為一種高效的、多功能的經濟型數(shù)控機床，是一種推陳出新、盤活存量資金的有效辦法，是低成本自動化的必由之路。
數(shù)控技術及數(shù)控機床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術，對傳統(tǒng)機械制造產業(yè)的滲透形成的機電一體化產品：數(shù)控機床；其技術范圍涉及很多領域：
機械制造技術；信息處理技術；自動控制技術；伺服驅動技術；傳感器技術；軟件技術等。
機床數(shù)控化改造的必要性、目的和背景
（1）微觀看改造的必要性
1） 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。
2） 可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，大大提高加工效率。實現(xiàn)“柔性自動化”加工。
? 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）可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。
? 5） 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
6）降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力，減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。
此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS （計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。
（2）宏觀看改造的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的機械工業(yè)，由于對其機械工業(yè)進行信息化改造，使得他們的產品競爭力大為增強。而我國在這方面比發(fā)達國家約落后近20年，數(shù)控化率極低。這也說明了數(shù)控化改造的必要性。進行經濟型數(shù)控機床開發(fā)，是符合我國國情的有效的機床更新途徑。
在當前的市場需求多變，競爭激烈的環(huán)境中，企業(yè)需要迅速地開發(fā)出新產品，以低價、好質量、快速去滿足市場需求的變化。而數(shù)控機床最適宜加工小批量、多品種、高精度、形狀復雜、生產周期短的零件；數(shù)控機床的柔性化加工，符合產品頻繁變化的要求。
國內外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展狀況
目前，數(shù)控技術正由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經網絡等多學科技術，實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可自動修正、調節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網絡化上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機床聯(lián)網，實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。
而我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結構，CNC只能作為非智能的機床運動控制器。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中CNC只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機構。在復雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的加工參數(shù)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機修正CAD/CAM中的設定量，因而影響CNC的工作效率和產品加工質量。所以，對數(shù)控技術實行變革勢在必行。
數(shù)控技術發(fā)展趨勢
數(shù)控系統(tǒng)的伺服驅動從直流向交流全數(shù)字式轉變，系統(tǒng)體系結構從封閉向開放轉變，控制系統(tǒng)由專用計算機向通用計算機轉變，能根據控制對象迅速、靈活地更改軟硬件，具有聯(lián)網通信功能等，主要就是：
1、智能化 2、網絡化 3、集成化 4、微機電控制系統(tǒng) ?5、數(shù)字化
1） 性能發(fā)展方向
??? 隨著柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機集成系統(tǒng)的不斷成熟，對數(shù)控加工技術提出了更高要求。當今數(shù)控機床信息化正朝著以下幾個方面發(fā)展。
????(1)高速高精高效化 采用高速芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，并改善機床動、靜態(tài)特性等有效措施。
(2)柔性化 包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性；群控系統(tǒng)的柔性。
(3)工藝復合性和多軸化 指一次裝夾后，完成多工序、多表面的復合加工，以減少工序、輔助時間為主要目的的復合加工。
(4)實時智能化 現(xiàn)代數(shù)控機床的智能化發(fā)展將通過快速作出實現(xiàn)最佳目標的智能決策，對機床的工藝參數(shù)進行實時控制，使機床的加工過程處于最佳狀態(tài)。基于CAD和CAM的數(shù)控編程自動化。
（6）發(fā)展可靠性最大化。它采用更高集成度的電路芯片，同時通過自動運行診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)內硬件、軟件和各種外部設備進行故障診斷和報警。
2）功能發(fā)展方向
(1)用戶界面圖形化 圖形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現(xiàn)。
(2)科學計算可視化 可視化技術與虛擬環(huán)境技術相結合，實現(xiàn)無圖紙設計、虛擬樣機技術等，從而縮短產品設計周期、提高產品質量、降低產品成本。在數(shù)控技術領域，可視化技術可用于CAD/CAM。
(3)插補和補償方式多樣化 插補如直線插補、圓弧插補等。補償功能如間隙補償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補償、帶平滑接近和退出刀具半徑補償?shù)取?
(4)內裝高性能PLC 數(shù)控系統(tǒng)內裝高性能PLC控制模塊，可直接用梯形圖或高級語言編程，具有直觀的在線調試和在線幫助功能。
(5)多媒體技術應用 可以做到信息處理綜合化、智能化。
3) 體系結構的發(fā)展
（1）集成化、模塊化、采用高度集成化和大規(guī)?？删幊碳呻娐芬约皩Ｓ眉呻娐稟SIC芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運行速度。
（2）網絡化 機床聯(lián)網可進行遠程控制和無人化操作。
通用型開放式閉環(huán)控制模式 采用此模式易于將實時智能技術、網絡技術、多媒體技術、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動態(tài)數(shù)據管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等融于一體，從而實現(xiàn)集成化、智能化、網絡化。
(3)智能化新一代PCNC數(shù)控系統(tǒng) 它將各高新技術融于一體，形成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系。
我國機床行業(yè)已擁有自主知識產權和從低檔到高檔次的產品，但是，我國數(shù)控機床領域與美國、日本和歐洲還有相當?shù)牟罹唷?
目前，越來越多的企業(yè)都在推廣和普及使用數(shù)控車床。為降低設備采購成本，一些中小企業(yè)通過將普通車床改造為數(shù)控車床，不但可以取得較好的應用效果，還可以充分利用舊的普通車床，從而延長了設備的使用壽命，提高了設備的利用率。為使數(shù)控改造取得滿意的效果，在改造過程中應注意以下幾個方面問題。
1 ）普通車床改造的工藝流程
一般情況下，機床可以保留的部分包括主軸箱，床身，大、中溜板，尾座等。機床改造前，應先將要改造的機床進行大修處理，大修處理范圍包括：主軸箱傳動精度調整，主軸徑向跳動及軸向竄動精度修復，機床導軌平面度及直線度、卡盤裝夾精度調整等，達到一定精度要求后再進行數(shù)控改造。數(shù)控改造部分包括增加數(shù)控裝置，X，Z軸驅動器及驅動電機，換裝X，Z軸滾珠絲杠及電動刀架，增加必要的控制電器、開關，冷卻液及潤滑裝置改造等。
2 ）數(shù)控裝置和驅動方式的選擇
一般情況下，數(shù)控改造有2種方案：
（1） 步進電機 的開環(huán)系統(tǒng)方案，系統(tǒng)中沒有反饋電路，不帶檢測裝置，控制指令單向傳遞，系統(tǒng)對工作臺的實際偏差不能修正，控制精度取決于步進電機的步進精度和傳動機構的精度，其控制精度不高。
（2） 采用伺服電機的半閉環(huán)系統(tǒng)，檢測元件裝在電機軸或絲杠軸的端部(一般是集成在伺服電機內)，系統(tǒng)的閉環(huán)控制環(huán)內不包括機械傳動環(huán)節(jié)，反饋的僅是進給傳動系統(tǒng)的部分誤差，一般是電機軸或絲杠軸的角位移、角速度經轉換處理后成為工作臺的實際位移，由于采用高分辨率的反饋檢測元件(主要是編碼器)，且傳動部位具有補償功能，因此，可以獲得比較滿意的精度與速度。
二種方案相比，前者經濟性好，后者加工精度較高。采用哪種方案關鍵要看加工對象的精度要求，如果能夠滿足零件的加工精度要求，應優(yōu)先采用步進電機的開環(huán)方案，既可以保證零件的加工質量，又可以有效降低改造成本。此外，數(shù)控裝置的控制精度一定要和電機以及滾珠絲杠精度匹配，這樣才能實現(xiàn)最佳的加工效果。目前，國內一些數(shù)控品牌如廣州數(shù)控、四維數(shù)控、華中數(shù)控、新方達等采用步進電機的數(shù)控裝置都將PLC集成在數(shù)控裝置中，改造起來非常方便，控制精度也比較高，許多品牌和型號已經可以達到微米級的控制精度，有著較高的性價比，可以優(yōu)先選用。3 數(shù)控裝置要求數(shù)控裝置的選擇是數(shù)控改造的關鍵，性能過高，功能過多，會造成改造成本的增加，反之如果性能較低，功能較少，則不一定能夠滿足加工需要，因此，需要結合零件的性能要求和基本屬性進行合理選用
滾珠絲杠的選用和安裝
按照循環(huán)結構來分，滾珠絲杠可以分為內循環(huán)式和外循環(huán)式，其中內循環(huán)式又可分為浮動式法蘭型螺母結構，浮動式法蘭、直筒型墊片預緊螺母結構，浮動式法蘭、直筒型螺紋預緊螺母結構等；外循環(huán)式包括插管埋入式法蘭型螺母結構，插管埋入式法蘭、直筒型墊片預緊螺母結構。經濟型數(shù)控改造方案最常用的是內循環(huán)浮動式法蘭型螺母結構滾珠絲杠，該種結構的絲杠具有成本低，傳動精度可靠的優(yōu)點，缺點是能夠承受的額定靜、動載荷較低，不適合大余量強力切削。滾珠絲杠的精度一般可以分為7個等級，即1，2，3，4，5，7，10級，1級精度最高，依次逐漸降低，選擇的原則也要結合加工零件的精度要求以及與數(shù)控裝置和電機的控制精度相匹配。一般情況下，傳動精度主要有2個指標，即行程偏差和行程變動量。雖然數(shù)控系統(tǒng)可以對滾珠絲杠傳動誤差進行補償，但從應用角度來講，絲杠的傳動精度要求也不能過低。對于一般使用要求，滾珠絲杠在任意300 mm軸向行程內的變動量應不能超過0．05mm，行程偏差小于0．02 mm，這樣才能確保整個工藝系統(tǒng)的改造精度。滾珠絲杠在安裝時應注意調整絲杠間隙，可用百分表測出具體的間隙值，在加工程序中予以補償或重新調整絲杠間隙。絲杠兩端軸承座及其連接處剛性要好，否則易產生絲杠軸向竄動，造成工件加工過程中軸向或徑向尺寸不穩(wěn)定。
驅動器和驅動電機
如果采用步進電機驅動方案，驅動器和驅動電機可采用三相混合式步進電機驅動器和驅動電機(目前國內一些品牌驅動器已采用五相混合式)，驅動器結構一般為高速單片機嵌入式，通過優(yōu)化電路，提高控制性能；驅動方式采用PWM(脈寬調制)恒流斬波控制，三相正弦波電流輸出，并提供零位信號輸出；應具備矢量細分技術，電機每轉細分應不小于12 000脈沖(0．03。)以確保驅動精度的可靠性，并具備完善的過載、過熱、過壓、短路等保護功能；控制精度要與CNC裝置的控制精度和滾珠螺母絲杠精度相匹配；功放電壓應達到DC300 V，以確保電機高速運轉時仍有高轉矩輸出；具備掉電相位記憶功能，驅動斷電后自動記憶當前相位；位置脈沖方式為單／雙脈沖控制，整／半步運行模式；步進電機要求低速運行平穩(wěn)，最高轉速不小于1 500 r／min，以滿足高速加工的需要；額定功率、額定轉矩、最大轉矩可視比，可以優(yōu)先選用。
主軸調速改造
普通機床進行數(shù)控改造時主軸調速一般有自動和手動2種方案可供選擇，自動方案是主軸電路上增加主軸變頻器，通過在程序中指令設定，調整變頻器輸出頻率，從而達到改變電機運行頻率和速度的目的，采用變頻器變頻的最大優(yōu)點是可以采用機床原來的主軸普通電機，方便的進行轉速調控，因而改造成本較低；缺點是普通電機通過變頻在較低轉速運行時，運行穩(wěn)定性較差，不利于提高零件的加工精度，因此，采用此種方法進行主軸變速時不能設定太低的轉速。如果零件加工確實需要在低轉速情況下進行，且加工精度有一定要求，則應將主軸電機更換為專用變頻電機。如果采用手工變速方案，則不需要對主軸傳動系統(tǒng)的電路做任何改制，只需要在變速的程序段指令前加暫停指令(Go4或MO)，使機床暫時停止運行，手工調整主軸箱轉速后，繼續(xù)執(zhí)行后面程序指令加工零件即可。
數(shù)控裝置應具備以下基本性能要求。
1） 硬件的要求
數(shù)控裝置應能滿足交流伺服、混合式步進、反應式步進等多種驅動系統(tǒng)的要求。采用16位以上的CPU，主頻速度較高，大規(guī)模的CPLD可編程芯片，以確保復雜曲面的插補計算速度；液晶顯示屏幕可盡量大一些，以方便進行編程、數(shù)據的觀察；中文菜單全屏幕編輯，具備快捷鍵功能，操作簡單；具有試刀、對刀功能，可實現(xiàn)任意點起動，任意點結束；具有刀補、換刀、主軸倍率、進給倍率功能；若對切削有特殊需要，還應考慮增加D／A無級變速功能，使之滿足恒線速切削要求。
2） 對性能的要求
控制精度應小于0．01 mii1，加工程序存儲量應不小于32 kB并具有斷電保護功能；工作狀態(tài)應包括文件管理、空運行、手動、自動、回零、MDI及對刀等基本的功能；編程方式包括增量編程和絕對編程，能實現(xiàn)各坐標反向間隙補償及刀具補償；可實現(xiàn)直線插補、圓弧插補、螺紋插補、循環(huán)加工等基本G指令，以滿足零件結構多樣化加工需要；T(刀具)功能完備，一般應具有8刀位控制，8組刀補功能，并可實現(xiàn)換刀偏置、試切對刀、自動補償?shù)裙δ?；M功能完備，應可實現(xiàn)4個停止指令(MOO，M01，M02，M30)、主軸正／反轉、發(fā)信、程序跳轉、子程序調用等。
3 ）對通信接口的要求
由于數(shù)控裝置程序存儲量有限，為方便地實現(xiàn)程序的輸入、輸出和外部存儲，數(shù)控裝置上最好具有通信接口，常用的RS232接口就可以滿足其要求。
4 ）對參數(shù)設定功能的要求
參數(shù)設定功能應包括設定工件號、快進速度、刀架反轉時間、主軸最高轉速、順序號增量、間隙補償、換刀偏置等，通過對上述參數(shù)的設置，可使編程及對絲杠和刀具參數(shù)的設置更加方便，有利于加工效率和加工精度的提高。
5 ）文件管理功能
基本的文件管理功能應包括程序段號、容量的顯示，可以使程序段清晰并及時提醒操作者對程序進行管理；全屏幕程序編制、檢查和修改使編程操作舒適方便；程序診斷、復制、刪除等功能，可實現(xiàn)程序管理的簡便以及對程序的校驗和相似程序的復制修改。
6） 對通信接口的要求
由于數(shù)控裝置程序存儲量有限，為方便地實現(xiàn)程序的輸入、輸出和外部存儲，數(shù)控裝置上最好具有通信接口，常用的RS232接口就可以滿足其要求。
7） 對參數(shù)設定功能的要求
參數(shù)設定功能應包括設定工件號、快進速度、刀架反轉時間、主軸最高轉速、順序號增量、間隙補償、換刀偏置等，通過對上述參數(shù)的設置，可使編程及對絲杠和刀具參數(shù)的設置更加方便，有利于加工效率和加工精度的提高。
8) 冷卻液及潤滑系統(tǒng)改造
一般情況下，不需要對機床原來的冷卻系統(tǒng)進行特殊改動，從經濟性上考慮，可以采用手工打開卻液泵進行加工過程中零件的冷卻，如果有特殊要求，一般CNC系統(tǒng)上都有冷卻液接口，可通過PLC設置，實現(xiàn)冷卻液的自動開關。機床潤滑系統(tǒng)改造可以采用加裝潤滑泵，通過PLC設定潤滑時間的方法進行改造，潤滑時間可設定為工作若干時間進行潤滑加油的定時潤滑方式，這樣可極大地降低手工潤滑的勞動強度，提高設備的保養(yǎng)水平。
9)電器系統(tǒng)改造
如果改造的車床使用年限已經較長，可以利用數(shù)控改造將現(xiàn)有的電器部分進行更新。如果設備沒有特殊的功能要求，電器改造比較簡單，主要增加的電器元件包括主軸、絲杠電機變壓器，X，Z軸驅動器，電動刀架控制器，以及必要的控制開關、繼電器等，若主軸有變速需要，則需要增加變頻電機或變頻器。
10)數(shù)控改造后機床應達到的基本技術要求
無論是采用步進電機的開環(huán)系統(tǒng)還是采用伺服電機的半閉環(huán)系統(tǒng)，數(shù)控改造后機床的主要技術性能必須滿足如下要求：
床身導軌平行度
可知，主切削力
FZ=CFZapXFZfYfzKFZ
查表得： CFZ=188kgf/mm2=1880Mpa
XFZ=1 YFZ=0.75 KFZ=1
則可計算FZ如表2-2所示：
表2-2
ap(mm)
2
2
2
3
3
3
f(mm)
0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.4
FZ(N)
1125
1524
1891
1687
2287
2837
當FZ=1520N時，切削深度ap=2mm,走刀量f=0.3，以次參數(shù)作為下面計算的依據。
從《機床設計手冊》中可知，在一般車削外圓時：
FX=（0.1~0.6）FZ FY=（0.154~0.7）FZ
取FX=0.5 FZ =0.5*1527.6=763.8N
FY=0.6 FZ=0.6*1527.6=916.5N
2．3．4滾珠絲杠設計計算
綜合導軌車床絲桿的軸向力：
P=K FX+f”(FZ+W)
式中 K+1015，f＇=0.15~0.18,取K=0.16。
則：P=1.15*763.8+0.16（1527.6+800）=1250.8N
(1)強度計算：
壽命值
Li=60niTi/106
Ni=n主f/L0=1000vf/(DL0)
取工件直徑 D=80mm，查表得 Ti=15000h
則：ni=100*100*0.3/(3.14*80*6)=20r/min
Li=18
最大動負載 Q=PfWfh
查表得運轉系數(shù) fW=1.2 硬度系數(shù)fH=1
則
Q=*1.2*1*1250.8=3933.6N
根據最大動負載荷Q的值，可以選擇滾珠絲杠的型號。參照汗江機床廠的產品樣本選取FC1B系列，滾珠絲杠直徑為,型號為FC1B32——5——E2，其額定動載荷是10689N，所以強度足夠。
(2)效率計算
根據《機械原理》公式，絲杠螺母副的傳動效率為：
式中 摩擦角=10‘ 螺旋升角3》25‘
=0.935166
(3)剛度驗算：
滾珠絲杠工作負載p引起的道程變化量
1=
式中 L0=6mm=0.6cm:
E=20.6166N/cm2
滾珠絲杠截面積 F=2=（2.8031/2）23.14
則 L1==5.910-6
滾珠絲杠受扭拒引起的導程變化量很小，可忽略，即L=L1，所以：導程變形總誤差為=100/L0L=100/0.6*5.9*10-6=9.8m/m
查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差（1m長）為15m/m,故剛度足夠。
(4)穩(wěn)定性驗算：
由于機床原絲桿直徑為30mm，現(xiàn)選用的滾珠絲杠直徑為32mm，支撐方式不變，所以穩(wěn)定性不存在問題，可不進行驗算。
2．3．5有關齒輪計算
傳動比
I=L0/360P=0.75*6/(360*0.01)=1.25
齒輪材料極其許用應力的確定：
小齒輪用45#表面淬火 齒面硬度為45HRC
大齒輪用45#調質處理，表面硬度為220HBS。
因Hlim1=1120Mpa, Hlim2=550Mpa
SH=1.1 故
[H1]=1190Mpa
[H2]=500Mpa
因Flim1=240Mpa Flim2=190Mpa SF=1.3
[F1]=185Mpa
[F2]=146Mpa
齒面接觸強度設計
設齒輪按8級精度選，取載荷系數(shù)K=1.5齒寬a=0.4
粗取 Z1=32 Z2= Z1i=23*1.25=40
滿足誤差要求，取齒輪壓力角a=200粗選模數(shù)m=2則
小齒輪直徑d1=m Z1=64mm
大齒輪直徑d2=m Z2=80mm
da1=d1+2ha*=68mm
da2=d2+2ha*=68mm
中心距a=m(Z1+Z2)/2=72mm
齒寬為
大齒輪 b2=a*a=30mm
小齒輪 b1=35(補償安裝誤差)
2．3．6轉動慣量的計算
工作太折算到電機軸上的轉動慣量：
J1=（180P/）2W=（180*0.01/3.14*0.75）2*80=0.468kg.cm2=4.68N.cm2
絲杠的轉動慣量：
JS=7.8*10-4D4L1=114.75N.cm2
齒輪的轉動慣量：
JZ1=7.8*10-4*6.44*2=26.17N.cm2
JZ2=7.8*10-4*84*2=63.9N.cm2
電機的轉動慣量很小可忽略。
因此總的轉動慣量：
J=（JS+ JZ2）/i2+ JZ1+ JS=145.19N.cm2
2．3．7所需轉動力矩的計算
快速空載啟動時所需力矩
M=Mamx+Mf+M0
最大切削負載所需力矩
M=Mat+Mf+M0+Mt
快速進給時所需力矩
M= Mf+M0
式中 Mamx——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——由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩：
Mat——切削時折算到電機軸上的加速度力矩：
Mt——折算到電機軸上的切削負載力矩。
Ma=(Jn/9.6T)*10-4N.m
當n=nmax=Ma
nmax=vmaxi/L0=416.7r/min
Mamax=2.52N.m=25.72kgf.cm
當n=nt時 Ma=Mat:
nt=n主要 的ft/L0==24.88r/min
Mat =0.1505N.m=1.536kgf.cm
Mf=
當=0.8 f’=0.16時
Mf=12.23N.cm
M0=-(1-)
當=0.9時預加載荷P0=3/1FS 則
M t==76.38*0.6/(2*3.14*0.8*1.25)=0.462kg.cm=72.97N.cm
所以，快速空載起動所需力矩
M=Mamax+Mf+M0=274.05N.cm
切削時所需力矩：M= Mf+M0+Mamax=105.18
快速進給時所需力矩
M= +Mf+M0=16.85N.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，
Mamax=27.405kgf.cm=274.05N.cm
2．4橫向（Y向）進給系統(tǒng)設計與計算
橫向進給系統(tǒng)的設計 經濟型數(shù)控改造的橫向進給系統(tǒng)的橫向進給系統(tǒng)的設計比較簡單，一般是步進電機安裝在大拖板上，法蘭盤將步進電機和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度，
已知條件：
工作臺重（估算）W=40kgf=300N
時間常數(shù): T=4mm左旋
行程 Ｓ＝２４０mm
脈沖當量?。校剑埃埃埃?
步矩角 ?。剑埃罚担埃痵tep
快速進給速度 vmax=1m/min
2．4．1切削力計算
橫向進給量為縱向的１／２～１／３，?。保?，則切削力約為縱向力的１／２
ＦＺ＝１／２＊１５２．７６＝７６．３８kgf=763.8N
在切斷工件時：Ｆy=0.5FZ=0.5*76.38=38.19kgf=381.9N
2．4．2滾珠絲杠設計計算:
（1）強度計算：
對于燕尾型導軌：
Ｐ＝ＫFy+f’(FZ+W)
取 Ｋ＝１．４ f’=0.2
則Ｐ＝１．４＊３８．１９＋０．２（７６．３８＋３０）＝７４．７４kgf=747.4N
壽命值
Ｌi＝６０niTi/106=13.5
最大動負載
Ｑ＝ｆＷfHP=213.55kgf=2135N
根據最大負荷Ｑ的值，可選擇滾珠絲杠的型號．滾珠絲杠直徑為２０mm,型號為Ｆc1B204----5-----E2左，其額定動負荷５３９３Ｎ，所以強度足夠用．
效率計算：
根據《機械原理》公式，絲杠螺母副的傳動效率為：
式中 摩擦角=10‘ 螺旋升角3》28‘
=0.956
（2） 剛度驗算：
滾珠絲杠工作負載p引起的道程變化量
1=
式中 L0=4mm=0.4cm:
E=20.61＝106N/cm2
滾珠絲杠截面積 F=2= 3.14
則 L1==5.9610-6
滾珠絲杠受扭拒引起的導程變化量很小，可忽略，即L=L1，所以：導程變形總誤差為=100/L0L=100/0.4*5.96*10-6=14.9m/m
查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差（1m長）為15m/m,故剛度足夠。
（3）穩(wěn)定性驗算：
由于選用滾珠絲杠的直徑不變，而支撐方式由原來的一端固定，一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭ǎ欢藦较蛑?，所以穩(wěn)定性增強，故不在驗算．
2．4．3齒輪及轉矩的計算：
傳動比
I=L0/360P=0.75*4/(360*0.005)=1.67
齒輪材料極其許用應力的確定：
小齒輪用45#表面淬火 齒面硬度為45HRC
大齒輪用45#調質處理，表面硬度為220HBS。
因Hlim1=1120Mpa, Hlim2=550Mpa
SH=1.1 故
[H1]=1190Mpa
[H2]=500Mpa
因Flim1=240Mpa Flim2=190Mpa SF=1.3
[F1]=185Mpa
[F2]=146Mpa
齒面接觸強度設計
設齒輪按8級精度選，取載荷系數(shù)K=1.5齒寬a=0.4
粗取 Z1=18 Z2= Z1i=18*1.67=30
滿足誤差要求，取齒輪壓力角a=200粗選模數(shù)m=2則
小齒輪直徑d1=m Z1=36mm
大齒輪直徑d2=m Z2=60mm
da1=d1+2ha*=40mm
da2=d2+2ha*=64mm
中心距a=m(Z1+Z2)/2=96mm
齒寬為
大齒輪 b2=a*a=40mm
小齒輪 b1=45(補償安裝誤差)
2．4．4轉動慣量的計算
工作太折算到電機軸上的轉動慣量：
J1=（180P/）2W=（180*0.005/3.14*0.75）2*3/100=0.0439kg.cm2
絲杠的轉動慣量：
JS=7.8*10-4D4L1=0.624kg.cm2
齒輪的轉動慣量：
JZ1=7.8*10-4*3.6*2=0.262kg.cm2
JZ2=7.8*10-4*64*2=2.022kg.cm2
電機的轉動慣量很小可忽略。
因此總的轉動慣量：
J=（JS+ JZ2）/i2+ JZ1+ JS=1.258kg.cm2
2．4．5所需轉動力矩的計算
快速空載啟動時所需力矩
M=Mamx+Mf+M0
最大切削負載所需力矩
M=Mat+Mf+M0+Mt
快速進給時所需力矩
M= Mf+M0
式中 Mamx——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——由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩：
Mat——切削時折算到電機軸上的加速度力矩：
Mt——折算到電機軸上的切削負載力矩。
Ma=(Jn/9.6T)*10-4N.m
當n=nmax=Ma
nmax=vmaxi/L0=416.7r/min
Mamax=0.2184N.m=2.23kgf.cm
當n=nt時 Ma=Mat:
nt=n主要 的ft/L0==33.17r/min
Mat =0.0174N.m=0.1775kgf.cm
Mf=
當=0.8 f’=0.2時
Mf=0.028N.cm
M0=-(1-)
當=0.9時預加載荷P0=3/1FS 則
M t==38.19*0.4/(2*3.14*0.8*5)=0.287kg.cm=0.028N.cm
所以，快速空載起動所需力矩
M=Mamax+Mf+M0=2.633N.cm
切削時所需力矩：M= Mf+M0+Mamax=24.04N.cm
快速進給時所需力矩
M= +Mf+M0=4.03N.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，
Mamax=2.633kgf.cm=26.33N.cm
3．步進電機的選擇
3．1步進電機選用的基本原則
合理選擇步進電機是比較復雜的問題，需要根據電機在整個系統(tǒng)中的實際工作情況，經過分析后才能正確的選擇，基本原則如下
（1）、步矩角mn/i
式中 i－傳動比；
mn－系統(tǒng)對步進電機所驅動部件的最小轉角．
（2）、精度 步進電機的精度可用步距誤差或積累誤差衡量．積累誤差是指轉子從任意位置開始，經過任意步后，轉子的實際轉角與理論轉角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較實用．所選用的步進電機應滿足
Ｑi[]
式中 m－步進電機的積累誤差；
s－系統(tǒng)對步進電機驅動部分允許的角度誤差．
（3）、轉矩 為了使步進電機正常運行（不失步，不越步），正常啟動并滿足對轉速的要求，必須考慮：
１）啟動力矩 一般啟動力矩選取為：M
式中 Mq－電動機啟動力矩;
ML0－電動機靜負載荷．
2） 在要求的運行頻率范圍內，電動機運行力矩應大于電動機的靜載力矩與電機轉動慣量（包括負載的轉動慣量）引起的慣性矩之和．
（4）．啟動頻率 由于步進電機的啟動頻率隨著負載力矩和轉動慣量的增大而降低，因此相應負載力矩和轉動慣量的極限啟動頻率應滿足：
ft[fop]m
式中 ft－極限啟動頻率；
[fop]m－要求步進電機最高啟動頻率。
3．2步進電機的選擇
（1） C6140縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定:
Ｍq=
為滿足最小步距的要求，電動機選用三想六拍工作方式，查表知：Ｍq/Mjm=0.866
所以，步進電動機最大靜轉矩Mjm
Mjm＝Ｍq／0.866=791.14N.cm步進電機的最高工作頻率
fmax=vmax/60=2000/(60*0.01)=3333.3Hz
綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進電機，能夠滿足使用要求．
（2） Ｃ６１４０橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定
Ｍq=
電動機仍選用三相六拍工作方式，查表知：
Ｍq／Ｍim=0.866
所以，步進電機最大靜轉矩Ｍim為：
Ｍim=N.cm
步進電動機最高工作頻率
fmax===3333.3Hz
為了便于設計和采購，仍選用110BF003型直流步進電動機，能夠滿足使用要求
4．分析誤差來源
4．1機械結構原因
由于系統(tǒng)的縱、橫向都是開環(huán)進給控制系統(tǒng)，沒有反饋檢測系統(tǒng)，無法消除機械傳動部件間隙誤差，如滾珠絲杠反向間隙誤差、齒輪隙誤差及支撐結構和軸系變形引起的誤差、步距角精度和導軌副的精度等，從而產生累積誤差。
而滾珠絲杠的誤差主要是指反向間隙誤差，由于滾珠絲杠與螺母之間的軸向間隙，導致反向運動時的空程誤差，引起失步，它將直接影響到工作臺的進給精度。引起齒輪傳動誤差最主要的是側隙誤差。
4．2齒輪副誤差補償分析
對于由齒輪間隙引起的誤差可采取雙片薄齒齒輪錯齒調整法來消除，兩個嚙合的直齒圓柱齒輪中的小齒輪采用寬齒輪，另一個由兩片可以相對轉動的薄片齒輪組成。裝配時使一片薄齒輪的齒左側分別緊貼在寬齒輪的左、右兩側，通過兩薄片齒輪錯齒，消除齒側間隙，反向時也不會出現(xiàn)死區(qū)。錯齒齒輪如圖5.2.1所示，兩薄片齒輪上各裝入有螺紋的凸耳1、3，轉動螺母7可改變彈簧6的張力大小，而調節(jié)齒輪2、4的相對位置，達到錯齒的目的。
4．3滾珠絲杠副誤差補償分析
滾珠絲杠副可采用預緊方式來減小滾珠絲杠副的軸向回程間隙誤差。工作原理是在滾珠螺母體內的兩側循環(huán)滾珠鏈之間，使內螺紋滾道在軸向預制ΔL0的導程突變量，在兩列滾珠間產生軸向錯位而實現(xiàn)預緊，ΔL0的大小和單列滾珠徑向間隙決定預緊力大小，如圖4-3所示。
圖4-3 單螺母變位導程式預緊
結論
依照我國目前的數(shù)控機床發(fā)展狀況及我國的國情，對原有的普通機床進行數(shù)控化改造是符合當前狀況的。對普通C6140車床的數(shù)控化改造是為了擴大產品加工范圍和提高加工精度、效率、質量，進而滿足市場多變的要求：小批量、多品種、柔性化加工。改造后的C6140車床不僅能夠完成加工圓柱面，孔等一般加工，還能加工復雜的零件，且精度高。
對普通C6140車床改造的總體思路是把C6140改造成X，Y兩坐標能聯(lián)動的經濟型數(shù)控車床，由程序控制實現(xiàn)柔性化加工。從總體方案設計開始，確定了改造的目標—經濟型數(shù)控車床，全文進行了機械部分和數(shù)控部分的改造設計，最后進行了系統(tǒng)的誤差分析。在C6140的數(shù)控化改造中有如下特點：
（1）為了不大量改變原有的機械結構，本設計保留原有手動功能手柄，且只把原機床的普通絲杠改為滾動絲杠。
（2）在橫向和縱向的改造設計計算中，突出步進電機、減速箱和滾珠絲杠設計計算的連貫性，計算合理的準確性。
（3）在論文的最后進行系統(tǒng)的誤差分析，并提出自己的建議、方法。
但是還有一些不足之處，如：
（1）在對整個系統(tǒng)的改造中，由于缺乏實踐的條件，對機床改造的結構還欠合理。只有理論與實踐相結合才能改造設計出理想的結構。
（2）對論文的結構安排還有待進一步的權衡。
致謝
首先我要感謝我的指導老師楊健老師，是楊健老師不厭其煩、悉心的教導，讓我能地完成該課題的論文。我還要感謝在大學本科四年學習期間的各位任課老師的解惑授業(yè)，讓我習得了扎實的基礎及專業(yè)知識。楊老師的治學態(tài)度、執(zhí)著的科學精神、對學生的耐心指導，所有的這一切都讓我受益匪淺，讓我懂得了治學、做人的道理。并將讓我終身受益。
還有我特別要感謝的是我的父母，是他們一直在默默地支持著我，不斷給我以關懷和信心，讓我學會積極的人生態(tài)度和樹立正確的人生觀、世界觀。
豐富的大學生活，自然不能少了我的同窗之友，彼此的互相幫助、互相關心，生活中分享彼此的歡樂、共擔煩惱，這一切都讓我的大學生活變的無比多彩。生活在這樣一個彼此充滿關愛團隊中，各位好友的優(yōu)點就是我不斷進步的源泉。借此機會，我向諸位同窗好友表示感謝——好運伴左右！
大學的學習生活給了我面對未來一切挑戰(zhàn)的技能，開創(chuàng)美好未來的資本，所以我還要感謝給予我機會感受大學生活、給予我能力的母?！啥祭砉ご髮W！
參 考 文 獻：
【1】，楊可楨，程光蘊主編·機械設計基礎·北京：高等教育出版社，1988
【2】， 董玉紅·數(shù)控技術·高等教育出版社·2004.2
【3】，中國機工業(yè)教育協(xié)會組編·數(shù)控技術·北京：機械工業(yè)出版社，2001
【4】，周德儉主編·數(shù)控技術·重慶：重慶大學出版社，2000
【5】，陸劍中，孫家寧主編·金屬切削原理與刀具·北京：機械工業(yè)出版2001
【6】，成大先主編·機械設計手冊·北京：化學工業(yè)出版社，2002
【7】，廖效果，朱啟逑主編·數(shù)字控制機床·武漢：華中科技大學出社，1992
【8】，于俊主編·滾動軸承計算·北京：高等教育出版社，1993.7
【9】，張新義主編·經濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計·北京：機械工業(yè)出版社，1995
【10】，張柱銀