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1、计算机数字控制系统（Computer Numerical Control 简称为CNC系统）。一个完整的现代化数字控制机床由数控装置，可编程控制器，电源模块，伺服模块，伺服电机，反馈系统，机床控制面板，人机通讯单元，手持单元，液压系统，润滑系统，冷却系统，机床本体，滚珠丝杠，自动换刀系统，等等组成。 数控机床的生产率高，设备柔性好，使工人的劳动强度大为减轻，具有较高的经济效益，能加工普通机床所不能加工的复杂形面。由于数控机床的优越性，在国际竞争日益激烈、产品品种变化频繁的形势下，各国都致力与开发生产各种数控机床，其中将普通机床改造为经济型数控机床，简单方便，易于实现，使系统的性能价格比大为提高
2、。本次的设计题目是将C6140普通车床改造成为MCS-51系列单片机控制的经济数控车床。由于是初次设计，所以经验有限，在设计过程中难免会出现不足之处，还请各位老师，同学们多多指导，帮助。设计项目设计过程及说明主要结果一、脉冲当量的选择脉冲当量由设计任务书可知：纵向：0.01mm/脉冲横向：0.005mm/脉冲纵向：0.01mm/脉冲横向：0.005mm/脉冲二、切削力计算1、设计任务书给出床面上最大加工直径为：DMAX=400mm2、用经验公式计算下图纵车外圆时的各切削分力：主切削力：FZ =0.67* DMAX1.5=0.67*4001.5=5360N纵车外圆时的主切削力：FZ =5360N
3、设计项目设计过程及说明主要结果二、切削力计算再按以下比例可求出分离力FX和FYFX:FY:FZ=1:0.25:0.4走刀方向的切削力:FX =0.25*FZ=0.25*5360=1340N垂直走刀方向的切削力:FY =0.4*FZ=0.4*5360=2144N3、用经验公式计算如下所示横车端面时的各切削分力： 主切削力FZ(N)可取纵切的一半如下：FZ=FZ/2=5360/2=2680继续用经验工式粗略计算：FZ:FY:FX=1:0.25:0.4 走刀抗力为： FY=2680*0.25=670吃刀抗力为： FX=2680*0.4=1072纵车外圆时的切削分力：FX = 1340NFY =214
4、4N横车端面时的切削分力：FY=670FX=1072设计项目设计过程及说明主要结果一、纵向进给率引力计算。作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀当力以及移动中的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，由于 C6140纵向是综合导轨，为了提高机床低速运动的平稳性，将其纵向改造为贴塑综合导轨。选用公式：Fm=K.Fx+f (Fz+G)上式中Fx ,Fz 切削力（N）；G移动部件的重量（N）；f 导轨上的摩擦系数，K考虑颠复力矩影响的实验系数。由于改造后的机床纵向采用贴塑综合导轨故选取: K=1.15 f =0.04纵向进给率引力：Fm=K*Fx+f (Fz+G)=1.15*1340+0.04
5、*(5360+1500)= 1815.4N纵向进给率引力：Fm=1815.4N设计项目设计过程及说明主要结果二、横向进给率引力计算。作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀当力以及移动中的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，由于C6140是横向是燕尾导轨，为了提高机床低速运动的平稳性，将其改造为贴塑燕尾导轨。选用公式：Fm=1.4*Fy+f (Fz+2Fx+G)上式中Fx,Fz, Fy切削力（N）；G移动部件的重量G=850N；f 导轨上的摩擦系数;由于改造后的机床横向采用贴塑燕尾导轨故选取: f =0.04横向进给率引力：Fm=1.4*Fy+f (Fz+2Fx+G)=1.4*670+
6、0.04*(2680+2*1072+850) 1165N横向进给率引力：Fm 1165N设计项目设计过程及说明主要结果三、计算最大动负载。选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚珠上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值（即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载C），可用下式计算： C=fFm L=60*n*T/106 n=1000*vs/L0L0滚珠丝杠导程，纵向初选L0=6mm, 横向初选L0=5mm;vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/21/3），此处 vs纵=0.5m/min*0.5, vs横=0.2m/min*0.5
7、;T使用寿命，按15000h;f运转系数，按一般运转取f=1.21.5，这里选取为f=1.2;L寿命，以106转为1单位。滚珠丝杠导程，初选为：纵向: L0=6mm;横向: L0=5mm;设计项目设计过程及说明主要结果三、计算丝杠的最大动负载。纵向丝杠的最大动载荷C纵：n纵 =1000vs纵/L0=1000*0.5*0.5/6=41.67r/minL纵 =60*n纵*T/106=60*41.67*15000/106 = 37.503C纵 = 纵fFm=*1.2*1815.47292N横向丝杠的最大动载荷C横：n横 =1000vs横/L0=1000*0.2*0.5/5=20r/minL横 =60
8、*n横*T/106=60*20*15000/106 =18C横 =横 fFm=*1.2*1165 3664N纵向丝杠的最大动载荷C纵：C纵 = 纵fFm=7292N横向丝杠的最大动载荷C横：C横 =横 fFm3664N 设计项目设计过程及说明主要结果四、滚珠丝杠螺母副的选型。查附录A表3后：纵向：可采用W1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级按表4-15 选为3级。横向：可采用W1L2005外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为8800N，精度等级按表4-15 选为3级。纵向：W1L4006横向： W1L
9、2005五、传动效率的计算。传动效率计算工式如下：h=tgg/tg(g+j)上式中：g螺旋升角，纵向：W1L4006 g=2。44 横向：W1L2005 g=4。33j摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004纵向：h=tgg/tg(g+j)=tg2。44/tg(2。44+10)0.94横向：h=tgg/tg(g+j)=tg4。33/tg(4。33+10)0.96传动效率计算结果如下：纵向：h0.94横向：h0.96六、滚珠丝杠纵向W1L4006和横向W1L2005的几何参数如下所示：名 称符号计算公式W1L4006W1L2005螺纹滚道公称直径d040mm20mm导 程L06mm5mm接
10、触角20444033钢球径(mm)dq3.9693.175滚道法面半径RR=0.52dq2.0641.651偏 心 距e0.0560.045螺纹升角=arctg(L0/3.14/d0)20444033螺杆螺杆外径dd=d0-(0.20.25)dp3919.4螺杆内径d1d1=d0+2e-2R35.98416.788螺杆触直径dzdz=d0-dqCos36.035516.835螺母螺母螺纹直径DD=d0-2e+2R44.01623.212螺母内径D1D1=d0+(0.20.25)dp40.793820.635设计项目设计过程及说明主要结果七、纵向丝杠刚度验算。纵向进给滚珠丝杠支承方式如下所示：最
11、大牵引力Fm=1815.4N。支承间距为L=1500mm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。纵向丝杠的拉伸或压缩变形量d1按下式计算： d1=L/L0*L在上式中L滚珠丝杠在支承间的受力长度，L=1500（mm）;在上式中L在工作负载作用下引起每一导程的变化量，(mm) L可用下式计算：L=Fm *L0/(E*F)Fm 工作负载，即进给率引力，Fm=1815.4N；L0滚珠丝杠的导程，L0=6mm；E材料弹性模数，对钢E=20.6*104N/mm2;F滚珠丝杠截面积，按内径确定为: F=1016.97mm2;设计项目设计过程及说明主要结果七、纵向丝杠刚度验算。L=Fm *L
12、0/(E*F)=1815.4*6/(20.6*104*1016.97) =0.000052mmd1 =L/L0*L =0.000052/6*1500 =0.013mm由于两端均采用了向心推力球轴承,且丝杠双进行了预拉伸,故其拉压刚度可以提高四倍,其实际变形量为: d1 =d1/4=0.013/4=0.00325mm滚珠与螺纹滚道间接触变形d2经查图4-7,W系列1列2.5 圈滚珠各螺纹滚道接触变形量dQ: dQ=4.5m因为进行了预紧故:d2=dQ/2=4.5/2=2.25m=0.00225mm支承滚珠丝杠的轴向接触变形d3采用8107型推力球轴承,d1=35mm,滚动体直径dQ=6.35mm
13、,滚动体数量Z=18; 注意:式中Fm单位为Kgf;拉伸或压缩变形量为: d1=0.00325mm滚珠与螺纹滚道间接触变形量为:d2=0.00225mm设计项目设计过程及说明主要结果七、纵向丝杠刚度验算。dC =0.0024*(Fm2/dQ/Z2)1/3=0.0024*(181.542/6.35/182)1/30.0061mm因为施加了预紧力,故: d3 =dC /2=0.0061/2=0.00305mm根据以上计算总的变形量: d=d1+d2+d3=0.00325+0.00225+0.00305=0.00855mm定位精度0.015mm支承滚珠丝杠的轴向接触变形d3:d3=0.00305mm结论:总的变形量定位精度,故满足机床使用要求。八、纵向丝杠稳定性校核。滚动丝杠两端采用了推力轴承,不会产生失稳现象不需要稳定性校核。结论:稳定性好。设计项目设计过程及说明主要结果九、横向丝杠
