CA6132普通车床的数控化改造_毕业论文(32页).doc

-CA6132普通车床的数控化改造_毕业论文-第 24 页CA6132普通车床的数控化改造作者： 班级： 指导老师： 摘要随着现代科技和社会生产水平的不断提高，零件的精度要求越高，要求用于零件加工的机床有更高的精度和自动化。考虑到机床的生产能力和成本问题，以旧车床为基础，通过数控化改造提高机床的占有率是一条节约资金而又快速有效的方法。本文以CA6132作为研究对象，主要研究内容如下。本文对CA6132普通车床的数控化改造进行了深入研究，包括对数控车床结构的分析、数控车床的改造方案、主传动系统的设计、主轴的形状结构的设计与计算、主电动机的选择、进给伺服电机的选用、滚珠丝杆的计算与选用。根据机械、动力学原理，重新设计了车床的主传动系统，使车床实现变频无级调速。结合车床工作条件加工质量，合理选择滚珠丝杆、齿轮和伺服电机。通过以上的设计即可实现数控车床的改造，实现要求的技术参数。关键词：机床占有率 数控化改造 伺服电机 主传动 滚珠丝杆 Numerical control innovation of CA6132 common latheAbstract：With the continuous improvement of modern science and technology and the level of social production, the higher the accuracy of the parts, the requirements for the machine tool has a higher precision of parts processing and automation. Considering Machine tool production capacity and cost into consideration, improving machine toolshare by numerical control transformation is an efficient and quick way.In this paper, the CA6132 ordinary lathe numerical control transformation was studied. That includes the analysis of the numerical control lathe structure, the retrofit scheme of numerical control lathe, the main drive system design, the shape of the spindle structure design and calculation, the choice of main motor, feed servo motor selection, calculation and selection of ball screw. The main drive system of machine tool was redesigned According to the principle of machinery and dynamics, making makes the lathe realize frequency conversion step less speed regulation. Combined lathe processing quality of working conditions, choose the ball screw, gear, and servo motor. Design of CNC lathe can be realized through the above reform, realizing technical parameters as required.Key words: machine toolshare numerical control transformation servo motor 目录第1章 绪论11.1数控技术与数控机床11.2 数控化改造的背景11.3 数控化改造的优点21.4 普通车床数控化改造的现状31.4.1数控化改造国内外发展现状31.4.2 普通机床数控化改造的趋势31.5 数控化改造的目的和内容41.5.1 数控化改造的目的41.5.2 数控化改造的内容5本章小结5第2章 机械部分数控化改造总体方案62.1 CA6132普通车床与数控车床的参数对比62.2 数控化改造的总体设计方案72.2.1主传动系统72.2.2进给传动系统的改造72.2.3刀架的改造82.2.4 改造方案图9本章小结9第3章 主传动系统的数控化改造103.1 主传动系统的传动方式103.2 主轴驱动与控制113.3 主轴电动机113.4 主轴组件123.4.1 主轴组件的性能要求123.4.2 主轴123.4.3 主轴轴承133.4.4 主轴组件的计算133.5 带传动设计153.5.1 带轮163.5.2 同步带的选用与计算16本章小结18第4章 进给系统的数控化改造194.1 进给伺服系统的组成194.2 进给伺服系统的基本要求194.3 进给伺服系统的控制方式204.4 进给系统改造214.4.1 电动机的选用214.4.2 滚珠丝杆的计算与选择214.4.3 齿轮传动消隙机构29本章小结29第5章 自动换刀装置的设计315.1 自动换刀装置的作用与要求315.2 自动换刀装置的选用31本章小结31结 论32致 谢33参考文献34第1章 绪论1.1数控技术与数控机床数控技术，简称数控(Numerical ControlNC)，是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控(Computer Numerical ControlCNC)。 采用了数控技术进行控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础，它很好地解决了形状结构复杂、精度要求高及小批量零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，降低工人劳动强度，大幅度提高生产效率。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。与普通机床相比，数控机床能够自动换刀、自动变更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线的加工，加工精度和生产效率都比较高，因而应用日益广泛2。 1.2 数控化改造的背景随着国内外科技水平的不断发展，各行业对机械产品的性能和质量有了很高的要求。同时产品的更新换代也在加快。所以机床不仅仅要求有很高的生产率与精度，而且要能迅速适应产品的交换。普通的机床已经不能满足生产的需要，从而催生了数控机床，加快了数控化改造的发展。随着微电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速地发展起来。尽管数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批量多品种零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率。同时数控机床是实现柔性化、灵捷化、智能化和信息化加工制造的基本单元。但是我国现有数控机床的占有率却不容乐观，我国机床总量约380万台，其中数控机床只有11万台，数控机床占有率不足3%，而一些发达国家已达到20%以上1。逐步提高数控机床的占有率，已经成为我国制造技术发展的总趋势。而提高数控机床占有率的方法有两种：其一是通过增添新的数控机床，但是由于数控机床的价格昂贵，一次性投资大，并且很多企业还拥有大量的普通机床，所以考虑到资金与资源的利用，这种方法很难实施。其二是对普通机床进行数控化改造，以此来提高普通机床的先进性与数控化，数控化改造费用低廉，经改造后的机床基本上能够达到机械产品的加工精度要求，所以数控化改造是一条可行的道路。车床数控化改造研究是提高我国技术装备水平的重要项目，在我国目前拥有大量超期服役和技术陈旧的机床急待更新的情况下，由于数控车床的加工能力和资金受限，对车床进行数控化改造是一条节约资金、快速上马的有效途径。利用现有卧式车床，通过数控化改造，使其成为一台高效、多功能的数控车床，是一种盘活资金的有效途径，也是低成本实现自动化的行之有效的方法。因为一方面我国卧式车床保有量大，要将卧式车床淘汰掉是不经济、也不现实的做法；另一方面，从我国目前生产状况来看，仍然以生产卧式车床为主，卧式车床的数控化改造将会长期存在，并会不断的发展2。1.3 数控化改造的优点经过数控化改造后的普通车床虽然达不到数控机床的标准，但相对普通车床而言，在很多方面都有了很大的提升，尤其是自动化控制与无级调速。以下便是经过数控化改造后的车床的优势：1）拥有数控车床的直线与圆弧插补功能，能够加工倒角，圆弧和复杂的回转体零件。2）由于主传动和进给系统分别用伺服电机驱动，能够实现快速、精确控制。所以加工出来的零件有较高的精度3）缩短了加工辅助时间，不再需要人工换刀，批量生产是只需经过一次对刀，很大的提高了生产效率4）由于一台机床能够实现多工序的加工，省去了工件的搬运时间能够控制机床进行自动切削，降低了人工强度和人工操作误差。减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。5）可以实现加工的自动化、柔性化，从而效率比传统机床提高3-7倍。6）机床数控化还是推行FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及CIMS(算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。1.4 普通车床数控化改造的现状1.4.1数控化改造国内外发展现状美国、日本和德国等发达国家把机床改造作为新的经济增长行业，美国、日本和德国等发达国家在大量生产数控机床的同时，还非常重视普通机床的数控化改造，机床改造正逐步从制造业中分化出来，并形成了把机床改造作为新的经济增长行业。如德国的Schiess公司在1981年把一台加工直径为19m的超重型立式车床改装成数控机床。在美国机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、DevliegBullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofilng)业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代阳工机公司、野崎工程公司、滨团工程公司、山本工程公司等9。目前国内数控机床的占有率很低，与其他发达国家相比有很大的差距，但由于购买数控机床昂贵，对普通机床进行数控化改造成为了提高数控车床占有率唯一可行的方法。如：国防科技工业开展普通机床数控化改造“十五”期间计划改造1216万台，目前已完成3000多台。改造后生产效率提高约3倍，加工精度提高20，与新购设备相比可节约资金50以上。中国三江航天集团对具有改造价值的109台普通机床进行了数控化改造，取得了良好的效果。中国兵器工业集团西南自动化研究所积极开发普通机床数控化改造技术，累计完成普通机床数控化改造2000余台9。1.4.2 普通机床数控化改造的趋势对普通机床进行数控化改造的最终目的就是能够使改造后的机床能够无限接近数控机床的性能，所以数控化改造也随着数控机床的发展发展：1)高速化、高精度、高可靠性目前车床和车削中心主轴转速达到8000 rmin，加工中心的主轴转速一般都在15000rmin20000 rmin，高的达到60000 rmin，切削进给速度般达到20 mmin，高的甚至达到60 mmin，为充分发刀具材料性能、提高加工效率、降低加工成本，并且高加工精度和表面加工品质，数控装备将进一步向高速度或超高速方向发展。近10年来，在加工精度方面，普通级数控机床的加工精度已由±10um提高到±5um；精密级加工中心则从±(3-5)um，提高到±(1-15）um；超精密加工精度已开始进入纳米级(00019m)。国外数控装置MTBF己达60000 h以上，伺服系统MTBF达到30000 h以上，表现出非常高的可靠性。2)柔性化、网络化、集成化作为推行FMC,FMS,CIMS等信息化改造的基础，经数控化改造后的机床不仅要求能够实现基本的切削加工、自动换刀、自动工作台交换等功能，随着数控机床相柔性化方向的发展功能集成化更多体现在：工件自动装卸、工件自动定位、工件自动对刀、工件自动测量和集装卸、加工、测量为一体的“完整加工”等。并且目前先进的数控系统为用户提供了强的联网能力，除了具有RS232C外，还带有远程缓冲功能的DNC接口，可以实现多台数控机床间的数据通信和直接对多台数控进行控制。 3）工艺复合化为了减少加工的辅助时间，往往很多工序都集中在一台机床上进行加工，这就是工艺复合化。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工，以减少非加工时间。因为在零件加工过程中有大量的无功时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升降速上。4）智能化随着人工智能在计算机领域不断渗透和发展，数控系统向智能化方向发展。在新一代的数控系统中，由于采用“进化运算”、“模糊系统”和“神经网络”等控制机理，性能大大提高，具有加工过程的自动适应控制、负载自动识别、工艺参数自生成、运动参数自动补偿、只能诊断、智能监控等功能。1.5 数控化改造的目的和内容1.5.1 数控化改造的目的通过对普通的CA6132车床进行数控化改造，从而使普通车床实现数控化控制，在充分利用现有资源的同时提高生产加工效率和加工精度，使普通车床的功能能够满足现代制造业的要求。同时通过此次的论文设计对普通车床与数控车床的结构特点、所能实现的功能和各个机构的工作原理有更深的认识，对机床数控化改造的步骤和理论知识的应用有大概的把握与了解，积累在这方面的经验。1.5.2 数控化改造的内容CA6132普通车床的机械部分数控化改造主要是对主传动系统、进给系统和刀架的改造。主传动系统应该能够实现无级调速，并且保证有较大的调速范围。当车床低速切削时主轴电机能够提供足够大的切削功率。同时主轴必须保持一定的回转精度，从而提高车床的加工精度。改造后的进给系统不但要求能够加工复杂的回转体零件和圆弧，还应该有很高的精度和快速响应的特性，这样才能保证所要求的精度要求。刀架有多个刀位，并且刀架能够通过计算机控制而实现刀架的回转。本章小结本章主要介绍了数控机床对现代切削加工的重要性和优势，数控化改造产生的背景、历史以及国内外发展现状。总结出数控化改造的目的和内容。第2章 机械部分数控化改造总体方案2.1 CA6132普通车床与数控车床的参数对比表2-1 参数对比参数普通车床数控车床改造后的车床床身上最大工件回转直径 （mm）320320320刀架上最大工件回转直径 （mm）175最大工件长度 （mm） 750/1000650700主轴转速范围（级数）（r/min）432000（12级） 2003000 2003000主轴通孔直径 （mm） 3653公制螺纹范围（种数） （mm）0.5-9（17）英制螺纹范围（种数） （牙/时）2-38（32）模数螺纹范围（种数） （mm）0.5-9（17）纵向进给范围（mm/r）0.06-3.343.8m/min3.0m/min横向进给范围 （mm/r）0.04-2.457.6m/min7m/min主轴电机功率 （kw）45.55冷却/润滑电机功率 （w）120机床重量 （kg）1600/1700外形尺寸 （mm）2175X900X11852275X900X1185包装尺寸（mm）2035X1080X15202405X1080X15202.2 数控化改造的总体设计方案2.2.1主传动系统由于要保证加工零件表面质量的一致性和加工质量，所以必须是主轴的转动稳定并能实现恒速切削。这就要求主轴能实现无级变速。以下是主传动系统的改造方案：拆除原车床的主轴电动机与主轴箱，用伺服电动机替换原有的三相异步电动机，所选的伺服电动机必须提供足够的切削力和切削功率。通过已确定的数据计算主轴的结构、材料与尺寸，使主轴具有足够的刚度与精度。通过带轮将伺服电动机与主轴进行定比联接，重新选择主轴部件的支承，如轴承。并且重新设计主轴部件结构，从而降低主传动的噪音、共振及发热等问题。为了使改造后的数控车床能自动加工螺纹，须配置主轴脉冲编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，其目的是用来检测主轴转角的位置，通过主轴脉冲编码器数控系统步进电机的信息转换系统，实现主轴转一转，刀架纵向移动一个导程的车螺纹运动。 主轴脉冲编码器的安装，通常采用两种方式：一种是同轴安装，另外一种是异轴安装。同轴安装的结构简单，缺点是安装后不能加工穿入车床主轴孔的零件，限制了工件的加工长度，而异轴安装不会遇到这种问题，因此，异轴安装较合适。2.2.2进给传动系统的改造数控车床的进给系统具有精度高、速度快和稳定性的特点并且还要有快速响应的特点，所以，拆除原来的手动操作装置，在远离操作者的床鞍与床身上安装伺服电动机，采用闭环控制系统，在另一端安装光电脉冲编码器。为了减小摩擦，拆除原来的传动原件改用滚珠丝杆传动以提高精度，稳定性和快速响应的特点。用螺母连接工作台与丝杆，丝杆的旋转运动带动工作台移动。通过双螺母预紧的方法可以调整滚珠丝杆副轴间的间隙。为了使进给系统在低速时有很大的转矩，于是在步进电动机与滚珠丝杆之间用一级齿轮减速机构连接，滚珠丝杆的一段作为减速机构的输出轴。齿轮副间同样存在着间隙，常见的消隙方法有刚性与柔性消隙。车床进行横向进给时，由步进电机通过减速箱将动力传递给滚珠丝杠，再由滚珠丝杠带动螺母座，再通过螺母座带动中拖板做横向运动。滚珠丝杠螺母副继续采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙。 纵向运动同样是这样。图2-1 横向传动结构图2.2.3刀架的改造拆除原手动刀架和小拖板，安装由数控系统控制的四工位电动刀架。根据车床的型号及主轴中心高度，选用常州市宏达机床数控设备厂生产的LD4-C6132型电动刀架，该刀架内带120W三相交流异步电动机用于驱动正转选刀。内置的4只霍尔元件检测刀位位置，电动机反转完成刀具定位锁紧。图2-2电动刀架安装实物图2.2.4 改造方案图图2-3 车床的改造方案路线本章小结本章通过将普通车床和数控车床进行参数对比，然后得出车床经过数控化改造后所能实现的技术参数。然后根据机床要求设计出数控化改造的大概方案和路线。第3章 主传动系统的数控化改造现代机械加工正朝着高速、高效和高精度的方向发展，于是机床主轴系统必须具有更高的转速、更高的稳定性和更大的无级调速范围；不但在机械加工中能自动变速，而且机床结构要简单，噪声要小，动态性能要好，可靠性要高。数控车床作为高度机电一体化设备，其传动系统的设计一般应满足如下的基本要求。1. 使用性能要求 首先应满足机床的运动特性，如机床的主轴有足够的转速和转速级数。传动系统设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠。2. 传递动力要求 主电机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。3. 工作性能要求 主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形特性稳定。此外，还要求主轴传动系统结构简单，便于调整和维修；工艺性好，便于加工和装配；防护性能好；使用寿命长3。3.1 主传动系统的传动方式机床主传动系统可分为分级变速传动和无级变速传动。与普通车床相比，数控车床的主传动通常采用交、直流主轴调速电动机，电动机调速范围大，并可无级调速，使主轴箱结构大为简化。为了适应不同的加工需要，数控车床的传动系统有以下三种传动方式。1. 由电动机直接驱动 主轴电动机与主轴通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机直接驱动。 2.采用定比传动 主轴电动机经定比传动传递给主轴，定比传动可采用带传动或齿轮传动。3.采用分档变速传动 分档变速传动主要是为了解决主轴电动机的功率特性和机床主轴功率特性的匹配。定比传动直接扩大了直接驱动的应用范围，即在一定程度上满足了主轴功率与转矩的要求，同时由于带传动结构简单、传动噪声小、振动小的特点，所以主传动方式选择定比传动方式，采用同步带轮传动3.2 主轴驱动与控制数控车床的主轴驱动单元是车床的核心部件之一。在加工过程中，主轴驱动为了维持恒定、最优的切削速度，必须相应于切削半径的变化连续的调速，以确保加工的稳定性和较高的生产率。当加工部件的切削内外半径相差很大时，主轴速度变化将达到几倍，甚至几十倍。不难看出，主轴驱动与进给驱动有很大的差别，它不但要求较高的速度精度、动态刚度，而且要求连续输出的高转矩的能力和非常宽的恒功率运行范围随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已经不能满足要求。现代数控机床对主传动提出了更高的要求。1.主传动要有较宽的调速范围，以保证切削时选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产效率、加工精度和表面质量。2.为改善主轴的动态性能，需要主传动有较大的无级调速范围。3.要求主轴在整个速度范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率，即恒功率范围要宽。4.为满足数控车床的螺纹切削功能，要切主轴与进给驱动实行同步控制；在车削中心上，还要求主轴具有旋转进给轴和高精度的角度分度控制功能。3.3 主轴电动机 过去数控机床多采用晶闸管主轴驱动系统，但由于直流电动机受机械换向的影响，其使用和维护都比较麻烦，并且其恒功率调速范围小。与直流电动机相比，交流电动机有以下几个优点：1. 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低2. 定子绕组散热比较方便3. 惯量小，易于提高系统的快速性4. 适应于高速大力矩工作状态5. 同功率下有较小的体积和重量由于数控机床的主轴系统不需要很高的动态性能和调速范围，主轴驱动一般选笼式异步电动机。笼式异步电动机结构简单、便宜、可靠，配上矢量变换控制的主轴驱动装置，完全可满足数控机床主轴的要求。参考车床数控化改造后要达到的技术参数，主轴电动机可以选择博美特SM 150-27020LFB交流伺服电动机，以下是该型电动机的主要参数：功率（kw） 5.5 额定转矩 （N.M） 27 额定转速 （Rpm） 2000 额定电流（A） 20.5 转子惯量 （kg.） 3.4 主轴组件3.4.1 主轴组件的性能要求主轴组件式机床主要部件之一。由于主轴组件直接承受切削力，转速范围又很大，因而数控机床的加工质量很大程度上靠它保证。因此，数控机床设计时对主轴组将提出了很高的要求。主轴组件的性能要求包括以下几个方面:1.精度 主轴组件的精度包括旋转精度和运动精度。2.静态刚度 指受外力时主轴组件抵抗变形的能力，又分为抗弯可抗扭两种刚度。3.抗振性 抗振性包括抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。4.热稳定性 主轴组件在转动中，温升过高会引起两方面的不良后果：一是主轴组件和箱体因热膨胀而变形；其次是轴承等元件会因温度过高而改变已经调好的间隙和破坏正常的润滑条件。5.耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度3。3.4.2 主轴主轴是主轴组件的重要组成部分。它的结构形状和尺寸、制造精度、材料及热处理，对主轴组件的工作性能都有很大的影响。1. 主轴的结构形状 主轴的结构形状主要取决于轴上安装的零件、轴承、传动件、夹具等的类型、数目、位置、安装定位方式等，也考虑其工艺性要求。2. 主轴材料和热处理 选择主轴材料与热处理的方法，主要依据主轴部件的工作条件及结构特点，即应满足主轴对刚度、强度、耐磨性、精度等方面的具体要求。3. 主轴主要精度指标 主轴的精度直接影响到主轴部件的旋转精度。3.4.3 主轴轴承主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整和润滑都直接影响了主轴组件的工作性能。主轴轴承的选用，主要是依据主轴部件的工作要求，如传递功率的大小、速度范围、工作精度，并考虑制造条件及其他经济技术指标，数控车床的主轴轴承可采用滚动轴承和滑动轴承，滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围内稳定的工作。数控车床的主轴多采用两支承形式。两支承主轴的配置形式包括主轴轴承的类型、组合以及布置，主要根据对所设计主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求来选择。3.4.4 主轴组件的计算主轴的主要尺寸参数包括:主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支撑跨距。1.主轴的内径和外径 主轴外径越大，其刚度越大，但也使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也越大，要保证轴承的旋转精度就越困难，同时极限转速下降。主轴后端支承轴颈的直径可视为0.7-0.8的前支承轴颈，前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能越好。主轴内径的大小主要受主轴刚度的制约。主轴内径与外径之比，小于0.3时，空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当；等于0,5时，空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90%；大于0.7时，空心主轴的刚度就急剧下降；一般可取其比值0.5左右。2. 主轴的前悬量 前悬量a是指主轴前支承反力的作用点到主轴前端受力作用点之间的距离。小的前悬量对提高主轴组件的旋转精度、刚度和抗振性有显著效果。因此，确定前悬量a的原则是：在结构许可的条件下，a值越小越好。3. 合理跨距的选择 主轴的跨距对于主轴组件的性能有相当大的影响。合理选择跨距，是主轴组件设计中以一个相当重要的问题。主轴主要参数计算：主轴前端直径D1,主轴内径d，主轴前悬量a和主轴跨距L。由实用机床设计手册查得：当主轴电机功率为3-5.5kw是 D1=70-105。同时前轴颈直径大于后轴颈直径D2。车床D2=(0.7-0.9)D1。取D1=100mm 取D2=0.8D1 后端直径D2=100x0.8=80mm。主轴内径<0.7D 取d/D=0.6 d1=0.6D=60mm参考实用机床设计手册得：对于精密机床、自动化车床用滚动轴承支承、适用高精度和普通精度要求。取去a/D1=0.6-1.5,取a/D1=0.8 a=80mm如果a已定，则存在着一个最佳跨距L0。由实用机床设计手册的图8-23可得到，KA/KB,L0/a之间的关系。图3-1 的计算线图公式： = （3-1）式中：I主轴截面的平均惯性矩，N·mm； E主轴材料的弹性模量，N/ 。 I= （3-2）各种钢材的E值均为N/。主轴的前支承用双列圆柱滚子轴承 型号为NN3000K,后支承采用背靠背=25的角接触球轴承 型号为7000AC。由实用机床设计手册查得的估算公式为 =1700由于后支承刚度磁对主轴的刚度影响较小，估算时1.4-2计算。 =1700=1072627N/mm =1.6取=1.4 由图8-23得/a=4.2 =336mm具体设计时，常由于结构上的限制，实际,这样就造成主轴部件的刚度损失，当L/=0.7-1.5时，损失不大。所以取L=0.9=0.9mm，所以主轴的合理跨距为300mm。3.5 带传动设计 带传动是机床传动的主要形式之一。随着机床朝高精度和高速方向不断发展，对带轮也提出了更高的要求。带传动的工作原理是利用带与带轮之间的摩擦力带动带轮转动。带传动具有结构简单，造价低廉，不需润滑以及缓冲、吸震等特点。带传动的设计如图3-2所示。图3-2 带传动的设计路线3.5.1 带轮设计带轮时，要避免铸造或焊接时产生过大的应力。带轮质量应分布均匀，重量轻并便于制造。带轮的面应精加工，以减少胶带的磨损。当v>5m/s 时要进行静平衡，当v>25m/s时要进行动平衡。带轮材料应采用铸铁、铸钢、钢板、铝合金、工程塑料等。当用非金属材料，如夹布胶水做材料时，它们有重量轻、与胶布的摩擦因数大的特点，但其强度较低，因此用于轻载、高速的场合。带轮的设计路线如图3-2所示。3.5.2 同步带的选用与计算 以下所用到的数据与公式都是参考现代机床使用设计手册得到（1）设计功率由表3-2-41查得=1.6 =5.5x1.6=8.8kw （3-3）（2）选定带型和节距 根据=8.8kw =3000r/min，由图3-2确定为： XH型 =22.225（3）小带轮的齿数 根据带轮的型号XH型和带轮的转速 由表3-2-42查得带轮的最小齿数为30 此处取=32。（4）小带轮的节圆直径 =226.5 （3-4）（5）大齿轮的齿数 =48 （3-5）（6）大齿轮节圆直径 =339.7 （3-6）（7）带速 =35.56m/s （3-7）（8）初定轴间距 取=800（9）带长及其齿数 （3-8）带长型号为980的XH型带轮，节线长=2489.2mm 节线上的齿数为112。（10）实际轴间间隙a：此结构的轴间间隙可调 mm （3-9）（11）小带轮啮合齿数 15 （3-10）（12）基本额定功率 = （3-11）由表3-2-34查得 =4050N m=1.484 kg/m。（13）所需带宽由表3-2-43查得 XH型带轮的=101.6 =15 =1 51.42 （3-12）由表3-2-29查得，带轮型号应选代号为300的XH型带，其中=76.2，最终选择同步带的型号为980XH300。本章小结本章主要对普通车床的主传动系统进行数控化改造，其中主轴的设计和主电机的选择是最主要的部分。通过车床改造后需要达到的技术参数选择合适的伺服电机。介绍了主轴的工作条件和性能要求，从而设计出主轴的形状和尺寸。 第4章 进给系统的数控化改造4.1 进给伺服系统的组成数控车床的进给运动是通过伺服系统控制的，进给伺服系统控制了进给运动的速度、方向、精度、行程以及运动起止点。数控车床的伺服系统是由私服驱动装置、机械传动装置、位置检测元件及位置调节器等组成。伺服驱动装置包括伺服电机及其控制单元。开环系统一般采用步进电动机作为驱动电机，闭环或半闭环系统一般采用交流伺服电动机和直流伺服电动机作为驱动元件。早期的数控机床多采用直流伺服电机驱动，但由于直流电机存机械结构较复杂，从而产生了很多的问题，如电刷磨损后需要较多的维护，换向器出现运行火花等，所以交流电动机正逐渐取代直流电动机作为进给伺服驱动元件。微处理技术和电子半导体技术的发展提高了交流伺服系统的性能，使其更加广泛的应用于数控机床。目前，交流伺服电动机主要有笼式异步伺服电动机和永磁式同步电动机。位置检测元件起着测量和反馈的作用。它发出的信号传送给CNC从而构成闭环控制。闭环控制系统的精度很大程度上由位置检测元件的精度控制。机械传动装置的作用是连接电机和工作台，将电机的旋转运动转换为工作台的直线运动，带动工作台移动，包括减速装置和滚珠丝杆副等装置。4.2 进给伺服系统的基本要求进给系统作为数控机床的重要组成部分，其性能将直接影响机械加工的零件加工质量和生产效率。同其他数控机床一样，数控车床的进给系统同样有精度、快速性和稳定性的要求1. 高精度 由于数控车床是按预设的程序进行加工，所以不能进行手动补偿。这就要求数控车床具有较高的定位精度和轮廓加工精度，从而才能保证加工质量的一致性和复杂曲线、曲面的加工精度。现代数控车床位移精度一般为0.01-0.001mm，有的甚至高达0.1um 。2. 快速响应、稳定性好 由于数控系统存在位置滞后，实际位移比指令位移滞后，所以存在着位置误差。当进给系统进行频繁的变速和变向移动时，位置误差会不断积累，从而会造成加工尺寸和形状的误差，降低加工精度。提高进给系统的快速响应性能，可以减小位置误差，也是最根本的方法。这就对伺服系统的动态性能有两方面的要求：一是当进给系统频繁启动、制动、变速时，要求有很大的加速度，从而尽可能的缩短过程时间；二是当负载变化时，过渡过程前沿要陡，回复时间要短，且无振荡。3. 调速范围宽 调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。由于加工条件的不同，为了保证在任何情况下都得到最佳切削条件，就要求进给驱动必须有足够宽的调速范围。目前数控机床的进给速度范围是：脉冲当量为1um时，进给速度在0-240m/min时连续可调。此外，机床大多是在低速时进行重切削，因此要求低速时进给系统有大的转矩输出。4.3 进给伺服系统的控制方式根据进给伺服系统实现自动调节方式的不同，可以分为开环控制和闭环控制两种。1. 开环控制 采用开环控制的进给系统一般采用步进电动机驱动，不需要检测元件和反馈电路。开环伺服系统的结构简单、工作可靠、造价低廉。由于缺少检测装置，不能对进给位移和进行反馈，进给过程中的摩擦、惯量、间隙会影响进给精度，从而降低零件加工质量。开环控制的进给系统的定位精度一般在mm之间。开环控制的进给系统一般进用于精度不高的经济型数控车床。2. 闭环控制 闭环控制的进给系统常用伺服电机驱动，根据检测元件的安装位置，闭环控制又可以分为全闭环控制和半闭环控制。半闭环控制系统的检测元件没有安装在输出轴上，它直接控制电机的转速和轴角位置。半闭环系统并没有将整个传动系统包含其中，使得诸如丝杆螺距误差、受载后丝杆、轴变形等问题不能被检测到，从而影响一定的精度。全闭环