车床CA6140主轴系统的数控化改造及仿真(机械部分)毕业设计(论文)

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车床CA6140主轴系统的数控化改造及仿真（机械部分）

NC TRANSFORMATION OF CA6140 LATHE SPINDLE SYETEM AND SIMULATION

(MECHANICAL PART)

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学位论文原创性声明

本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。

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论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日

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摘要

本文对大多数企业数和普通车床的使用寿命长，加工精度低的现状，不能大批量生产，自动化程度不高，适应性差，致力于改造普通车床加工成数控车床，大大提高企业的效率，提高产量。

在这项研究中，我在一些大量应用数控机床的工厂中进行学习和调查。其中仔细观察了CA6140普通车床的结构和运动特性。初步有了主轴系统改造的粗略方案。计算和确定主传动改造时所需替换的电机、轴承等零部件型号。改造驱动进给传动部件，计算和确定导轨副、轴承、导轨等零部件型号。进给传动部件的计算和变换。最后绘制了相关零部件的零件图和横纵向进给系统的装备图。

关键词：CA6140车床；数控；改造

I

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Abstract

In this paper, the most number of enterprises and ordinary lathe and long service life, low machining accuracy, not to mass production, the degree of automation is not high, poor adaptability, is committed to in reconstruction of a common lathe to CNC lathe, greatly enhance the enterprise efficiency and yield.

In this study, I study and investigation in some large-scale application of CNC machine tools factory. The careful observation of the structure and motion characteristics of CA6140 lathe. A preliminary rough spindle system transformation scheme. Calculate and determine the main transmission transformation required for the motor, bearing replacement parts model. Transformation of feed drive transmission parts, calculate and determine the guide rail, bearing, and other parts of the model. The calculation and transformation of feeding transmission parts. Finally draw the map equipment related parts drawing and longitudinal feed system.

Keywords CA6140 lathe numerical control Transform

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III

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目 录

摘要 ...................................................................... Ⅰ Abstract .................................................................. Ⅱ 1绪论...................................................................... 1

1.1 课题的背景和意义 ................................................. 1

1.1.1 目前金属切削机床在我国经济中的重要性 .................... 1 1.1.2 数控机床所拥有的优点 .................................... 1 1.1.3 我国数控机床的发展形势 .................................. 2 1.1.4 把机床数控化的原因 ...................................... 2

1.2 机床的数控化 ..................................................... 2

1.2.1 概述 .................................................... 2 1.2.2工作流程 ................................................ 3

2 车床CA6140主轴系统数控化改造总体方案的确定 ............................... 4

2.1 CA6140普通车床数控化改造方案的选择 .............................. 4

2.1.1 选择系统 ................................................ 4 2.1.2 确定系统方式 ............................................ 4 2.1.3 电机的选择 .............................................. 4 2.1.4 主轴脉冲发生器的选择 .................................... 5 2.1.5传动方式的选择 ........................................... 6 2.1.6同步齿形带的选型 ......................................... 6 2.1.7 带传动的张紧与维护 ...................................... 6

2.2 主运动链转速图的拟定 ............................................. 7

2.2.1 传动组和传动副数目得确定 ................................ 7 2.2.2 结构网各种方案的选择 .................................... 7 2.2.3 绘制转速图 .............................................. 8

3.CA6140数控化改造步进电机的相关设计 ...................................... 10

3.1 步进电机 ........................................................ 10 3.2 如何选用电机 .................................................... 10

4传动元件的设计 ........................................................... 12

4.1 同步齿形带 ...................................................... 12

4.1.1同步齿形带的设计 ........................................ 12

4.2 齿轮设计 ........................................................ 16

4.2.1 齿轮材料选择 ........................................... 16 4.2.2 齿轮齿数的确定 ......................................... 17 4.2.3 绘制传动系统图 ......................................... 18 4.2.4 模数计算 ............................................... 18 4.2.5 齿轮的几何尺寸 ......................................... 19 4.2.6 齿轮的结构设计和布局 ................................... 20 4.2.7齿轮的校核 .............................................. 21 4.2.8 采用波形弹簧垫圈消除齿轮间隙 ........................ 22

5主轴的相关设计 ........................................................... 22

5.1联轴器的选择 .................................................. 22 5.2 键的设计 ........................................................ 23

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5.3键的校核 ........................................................ 23 5.4选择主轴轴承 .................................................... 23 5.5主轴的计算 ...................................................... 24

5.5.1主轴直径的计算 .......................................... 24 5.5.2 主轴悬伸量的确定和跨距的选择 ........................... 25

5.6轴承的选择与计算 .............................................. 28

5.6.1 轴承的校核 ............................................. 28

5.7卡盘的计算与选型 ................................................ 32

5.7.1工作原理 ............................................... 32

结论 ...................................................................... 35 致谢 ...................................................................... 36 参考文献 .................................................................. 36

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1绪论

1.1 课题的背景和意义

1.1.1 目前金属切削机床在我国经济中的重要性

现今在我国一般使用金属切割机床切削加工金属零件,学术名称为工作母机或者工具机。而我们习惯上称之为机床。

现今在我国的各个科研单位、工农业生产部门和国防生产部门里，制造和使用着各种各样不同功能的机械。虽然机器种类繁多，但事实上，对于庞大复杂的机器零件等的加工来说，无论是由不同的轴和轮，齿轮和箱体，框架，最主要的就是生产机器零件。

通常机床能够占到一般工厂机械总量的60%到80%，当然，这里面包括金属切削机床和锻压机等。机床的这一属性让它在经济里面占有很高的低位。机械制造行业也不停地为国家的经济建设，用现代技术和设备的供应，即，工业，农业，交通，国防，科研等部门提供各种设备，仪器和工具上的支持和援助。为国民经济建设提供设备。

我们要大力的发展机械行业，这样才能完成现代化的建设。因此，国民经济很依赖机械行业，另一方面，各式各样的机床就是支撑起机械行业的基础。机床的先进与否关系到我们整个国家的工业能力和科学水平的高低。因此机床工业的发展对促进国民经济的建设是十分必然和必要的，和机器工具在属性的重要性组成决定了国民经济各部门之间的关系。

1.1.2 数控机床所拥有的优点

与其他普通的机床作比较的话，可以发现数控的机床是有很多的优点的。这些优点都是来自于计算机的能力。

1、普通机床无法处理复杂的的加工曲面等零件。然而数控机床可以，这是得益于计算机的能力，一瞬间就能确定每个坐标轴瞬时运动量，这就能达到机床要加工曲面时的要求。

2、加工时是柔性启动的，所以它效率很高，都是其他普通机床的三到七倍。这是因为计算机存储功能，计算机内存中的输出按次的内存和存储上去，再由智能系统按照设定的程序自动执行任务，实现自动化的过程。

3、集中了多道工序，这样一来就降低了零件的搬运次数。

4、加工完的零件精度很高。因为尺寸分散度会很小，这样就很容易进行装配了。 5、综合以上的四条优点，又会增添其他的好处，比如：工人变轻松(一名工人通常可以照看很多台机床)后减少了工装的时间，新产品试制周期和消费周期也大大延伸。这样才能对市场作出快速反应的需求。

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1.1.3 我国数控机床的发展形势

对比国内外机械制造行业的发展趋势，目前的机械行业正向着高精度、高效率、高经济效益的方向发展。但是我国的机械制造水平在世界上还处于相对落后的位置。虽然在改革开放后常规加工技术得到长足发展赶上世界平均水平，但是高精度的数控化机械加工技术还处在一个过渡的时期。而现在日益增长的物质需要也在不断的刺激数控化的发展。关于如何增进数控化的发展，购进国外先进机械是一种方法，对旧机床进行改造也是提高机床数控化的重要途径。而对于企业来说，后者更可取。近几年，随着国内各类型机床改造需求的不断提升，改造机床已经逐渐发展成为一个新兴产业。普通机床的数控化改造不仅节约资金、降低成本，且符合现在倡导的绿色制造，可见对机械的数控化改造和设计已经是一个不可或缺的发展方向。

1.1.4 把机床数控化的原因

我们拥有数控机床11万余台，机床的总数量却达到400万，这表明中国机床的数控化率不到3%。

目前我国每年只能够生产不到一万台数控机床，年产值大约19亿元。在我国，机床超过十年服役年龄的有大概60%；使用不到十年的机床里，自动化率也不到20%，美日等发达国家在这方面领先我国太多。

因此，在中国很多制造企业使用的是传统的机器生产过程，效益差，更关键的是，大部分机器都使用了超过十年。其中最令人担忧的是，他们中的一半是的10年的旧式机床。加工零件品种少，质量不高，档次低，但成本也不小。这些旧式普通机床以及其制造的产品在国际市场上没有竞争力。这些企业要想生存，就必须去芜存菁，必须提高数控机床的覆盖率。

针对这一情况作出的大量实践说明：将普通车床进行数控改造，而现在的市场环境也正是佐证了这一点。这样既省钱又能达到目的，一举两得。

现在很多企业现有车床经济型数控机床的改造计划和实践发现，不仅投资少，见效快。事实是：用很少的钱到机床改造，经济效益将相当可观。

1.2 机床的数控化

1.2.1 概述

数控技术，简称数控( Numerical Control)。数控是一种是通过数字信息控制的加工方法。一般用数控技术（数控）来控制机器，或者也可以说是具备数字控制机床运行的能力的数控机床系统可称为数控机床。

为了实现对机床的控制。第一个是用几何信息来形容刀具和工件的相对运动，另外也需要采纳过程的信息，整个加工进程必须要对一些工艺参数进行必要的描述。

系统收到的信息按照格式排列后变成是直观的加工程序，在经过编码处理，就基本完

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成了使用机床作出准确的加工动作。

1.2.2工作流程

当数控机床进行工作时，它会经过数控装置来控制机床加工零件的轮廓，当然首先是要工人输入对应加工的数控程序。

数控系统的加工程序：在零件加工时，根据加工各种图案的尺寸和形状参数来确定加工工艺参数，工艺，几何参数和刀具等，再按照数控机床编程手册中规定的程序代码和格局来编写加工零件的加工工序。在这里，对于一些表面结构相对简单、加工过程并不冗长的零件，通常采用手工编程。

如果它是一个更复杂形状的零件，运用机器自主编程，可以考虑使用流行的CAD／CAM软件，加工程序可以自动生成。

译码：数控装置的验收程序，解码程序须按照语法规则，将信息文字转化为计算机代码形成数据确定。

位置控制和机床加工：前者需要在每一个采样周期内，把插补所计算出来的指令位置和得到的实际位置做一些比较之后，算出差值，用差值去控制伺服电机，电动机则使机床上面的运动部件带动刀具，达到所需的刀具轨迹和速度，然后根据已确定的信息进行一系列的加工运动。

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2 车床CA6140主轴系统数控化改造总体方案的确定

主参数床身上最大加工直径（mm）,根据车床原来的加工参数选取车床的最大回转直径为：400mm。

主轴的最大工件回转直径 :

d1.326D0.831D800mm时或d1 2D所以d =200mm。

通过主轴的最大奉料直径：d1D40； 10床身上最大回转直径： 400mm； 最大加工工件长度： 1000mm。

2.1 CA6140普通车床数控化改造方案的选择

2.1.1 选择系统

机床的数控系统一般都使用简单的8位微处理机和单片机。市面上比较流行的一般有Microchip 单片机，MCS—48系列，MCS-51系列，MOTOROLA 单片机，和Atmel 单片机系列。

国内自主开发且工具比较齐全且用的比较普遍一般的是MCS-51系列，本设计中采用的是该系列中的8031。

2.1.2 确定系统方式

根据运动方式分类，数控系统：线性控制系统，控制系统，连续控制系统和轮廓控制系统。

车床控制系统通过控制工具的速度沿路径的复杂轮廓加工，运动坐标轴之间有被控制的精确关系，可以根据车床加工的特点在使用的同时更合适和连续控制系统。连续控制系统，可以根据点控制系统，所以这里的定位方法，是利用坐标增量控制。

2.1.3 电机的选择

步进电机是一种能够将脉冲信号转化为操控电机相应的角位移或线位移。它能够组合成一个简略适用的数字伺服系统，而且不需要反馈环节，所以步进电机常常运用于开环控制系统。[1]而且总是能够获得很好的配合效果。总结起来，有以下特点：

1）送给步进电动机定子绕组一个电流脉冲，其转子就转过了一个角度，并称之为步距角。[1]

2）脉冲即走，没有脉冲停止。[1]

3）随着脉冲数的增加，角位移随之增大。[1]

4）电机收到的脉冲频率越高，其转速也就越高，反之亦然。[1]

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5）脉冲频率的改变不能太快，否则会引起损失或超调。 6）脉冲序列分布改变方向旋转的电机是可以改变的。 7）由于步进电机操作步骤的方式，它也被称为脉冲电机。

8）输出精度一般很高，而且通常只会产生相邻误差。无累积误差。[1] 所以本次设计中选用步进电动机作为进给驱动装置。

[1]

图2.1 主传动系统图

2.1.4 主轴脉冲发生器的选择

为了保持切削螺纹所需功能，需要主轴上安装一个脉冲发生器（主轴编码器），采用脉冲发生器直接可以零间隙传动联轴器与主轴，只是这样设计需要简化传动系统的结构。当然这样设计可以缩短传动链，提高传动刚度。[2]

当主轴脉冲发生器可选，发布两信号：从脉冲数，使每一个转弯，同步脉冲信号通过隔离电路和I/O接口，传输到数控装置。

脉冲发生器的组成部分包括：光栅盘，孔板，冷凝器，光敏管和光电整形放大电路。 光栅盘和光阑板都是采用玻璃材料，玻璃表面会镀上一层经过研磨和抛光的透明的铬层，然后用光腐蚀法制成一层透光条。刻在光栅板的条纹上有1024组明暗条纹。平行光束经过光栅后，在光栅的另一面就产生光带和暗带，通过照射不同的光敏管，就会产生光电脉冲信号，经斯密特电路整形后输出。在这里，一个是可以产生同步脉冲，每一个脉冲都会使1024条纹的一组通过光栏上两个相位差π/4间距的狭缝，从而产生两组每转1024个脉冲组并且相差为π/4的脉冲序列。[2]这些数据都是用以判断主轴的正、反转的直接标准。1024脉中均匀脉冲作为中断的插补速度与进给速度F控制目标实现信号。

主轴脉冲发生器的结构及原理:

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图2.2主轴脉冲发生器的结构及原理图

现在市面上有许多不同型号的主轴脉冲发生器。考虑到需要经济地改装数控机床，主轴脉冲发生器选择瑞普数控机床主轴脉冲发生器（主轴编码器）ZSF6215。

2.1.5传动方式的选择

（1）导轨

普通车床改造的精度要求不高的开环系统，滑动导轨和磨措施不敏感可以达到10um的定位精度。因为它可以满足该标准引导转型的需要，所以这里仍然使用原机。

（2）螺旋传动

原来的CA6140机床丝杠滑动螺旋传动，机械效率很低，大约只有30到60个百分点，改造后的精度，可以大大提高数控机床的定位精度，但也非常优良的动态特性。另外滚珠丝杠副的传动效率一般可达到90%以上，可以说是非常高。可以消除运动平稳、丝杠间隙、磨损小、传动精度高、可靠性高、寿命长等优点，但相对的其制造工艺复杂，成本高。

（3）齿轮传动

步进电机的步进角和螺旋导程可根据《机械设计手册》标准选择，纵向和横向调整齿轮间隙做减速运动错牙，从而达到0.001秒分辨率的要求。考虑到使指令系统简单好用，同时也能满足精度要求，本次设计决定采用滚动螺旋结构。

2.1.6同步齿形带的选型

由于C6140车床为带式传动系统中的高速级别传动，水平布置，由Y系列三相异步电动机驱动传递所需的功率为p=5.5kw，，最高转速n14000r/min,而从动轮最高转速

n21600r/min。假设带轮直径dd1112mm,采用实心式结构；dd2280mm,

。

2.1.7 带传动的张紧与维护

1、同步齿形带张紧

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同步齿形带能使张力下降由于松弛和皮带的张力进行一段时间的工作后..有3种类型的张力装置。

（1）周期性张力：一个共同的滑动型和摇曳的两，通过调整螺栓皮带张紧度。 自动张紧装置：电机重量或重量总是在一定的紧张工作的使用。

张紧轮装置：在某些情况下，对特殊需要的关键时刻是不可调时的张紧轮使用。该张紧轮需要大小皮带轮轮槽相同。直径小的车轮，直径应小于。

2、安装维护

（1）安装同步齿形带时应该首先使用略小于标准的中心距，然后在安装后，再慢慢调大中心距使同步齿形带达到规定的拉力。

（2）带轮两轴线和轮槽必须对齐或者平行，否则带的磨损会加剧。

（3）多根同步齿形带传动时，要选择公差组在同一档次的带配组使用，以各带受力严重不均。

（4）定期检查带的状况，只要发现有一根带过度松弛或疲劳损坏时，就必须全部更换，不能新旧带并用。如果一些旧带尚可使用，应选长度相同的旧带组合使用。

（5）带的工作环境不能有酸、碱或油，且工作温度不应超过60c。

2.2 主运动链转速图的拟定

2.2.1 传动组和传动副数目得确定

要实现机床主轴的传动系统的12级变化可用多种传动副组合： A．12=3*4 B. 12=4*3 C. 12=3*2*2 D．12=2*3*2 E. 12=2*2*3

上述方案，方案B可以节省轴。缺点是一组有4个传动副的传动。如果一个四滑动齿轮，它会增加轴向尺寸；如果两个双联滑移齿轮操作机构必须互锁，防止在同一时间两个滑移齿轮啮合。所以一般不使用。C，D，E计划根据“前载”的原则：从电机的主轴，一般减速传动。接近高速电机配件，和扭矩小，体积小。如果有更多的齿轮传动组合对电机的关闭，可以使小尺寸的零件较多，大尺寸零件少，节省材料。所以选择C程序：12 = 3 * 2 * 2。

2.2.2 结构网各种方案的选择

在12 = 3 * 2 * 2的C程序，因为基本组和扩大不同和不同方案的顺序。六种可能的解决方案，如图2-1所示的结构和网络结构：

A.12=31*23*26 C.12=32*21*26 E.12=32*26*21

B.12=31*26*23 D.12=34*21*22 F.12=34*22*21

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图2-1 结构网络方案

在减速传动，加快以防止过高的噪声和振动往往限制的最大速度比。在主传动链的任何传输组最大传输范围。检查传动组的速度范围，只检查最后一个扩张组，即第二膨胀组因为其他传动组的传输范围比他小。式2-1应：

RnXn(Pn1)Rmax8~10 (式2-1)

方案A、B、C、E的第二扩大组x26,p22,则R26。

1.41，R1.4168Rmax，是可行的。

2方案D和F，x24，p23，R2816Rmax，是不可行的。 在可行的四种方案中，A的中间传动轴变速范围最小，故A方案最好。 根据中间传动轴变速范围小的原则选择结构网。确定结构网如图2-2所示：

图2-2 结构网络图

2.2.3 绘制转速图

1.选择电动机

普通车床没有特殊要求，一般使用Y系列三相异步电动机。额定功率为7.5kW和同步速度1440r /分钟。

2.计算总降速传动比

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则总降速传动比为 ：i3.确定传动轴轴数

nmin31.50.02。 nmax1400本次设计共有三个传动组，变速机构共需4轴，加上电动机轴一共5根轴。 根据数据nmim31.5r/min，nmax1400r/min，1.41，Z12 ，确定各级转速。 得到12级的转速值： 31.5、45、63、90、125、180、250、355、500、710、1000、1400 r/min。

五轴，除电机轴，传动轴的另四为轴I，II，III，IV轴轴轴I和II组之间的传输，II和III，III和IV的患者随机分为A，B，C IV（主轴），I，II，III轴转速测定。

（1）确定轴Ⅲ的转速

在传动组中，它的变速范围为61.4168Rmax[8,10]，根据结式：

2211ic14　 ic2

114（2）确定轴Ⅱ的转速

B组水平比指数为3的传输，在传输比限值范围，轴II的最大速度500，710，1000r/min，最小可以是180，250，355r／min，不想要中间的轴转速，以避免提高速度和传动比过小，可取：

111ib13 ib2

2.81(3)确定轴Ⅰ的转速

对于轴Ⅰ，可取： 11111ia12 ia2 ia3

21.411确定轴Ⅰ转速为710r/min。由此可确定电动机与主轴之间的定传动比i转速图如图2-3所示：

7101。14002

图2-3 转速图

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3.CA6140数控化改造步进电机的相关设计

3.1 步进电机

种类不同的电机有不同的工作方式。

采用脉冲工作方式控制步进电机。但只有在绕组轮流通电脉冲的情况下，步进电机转动。

数控机床步进电机一般有三相，四相，五相。单M拍，双M拍，三M拍和2×M拍，其中M为电机相数。这里所说的单拍是指以每相通电，循环，周期数m；m拍是指循环拍数m，每一拍两同时电连接，三M是每打三相传导，拍周期数m；2米不仅是连接，两相或三相电功率。我们知道，一般电机的相数，它是更多的工作相结合。

通过步进角的计算，更多的脉冲周期数，步进角越小，使定位精度高。为了提高电枝数/支路功率稳定相步进电机的矩频特性的循环，这是非常必要的。对步进电机本身的运行性能也有很大的影响。为了提高输出转矩，步进电机的稳定性，以且工作频率。在这里，尽可能的使用多相步进电机，本次设计采用2×M的工作模式。

3.2 如何选用电机

选用步进电机是很复杂的，具体要根据整个系统的实际情况来确定。

步进电机的三大要素为：步距角、静力矩和电流。与它们相关的数据确定了，那么就可以选择步进电机了。

（1）步距角 步距角应该满足：amn

;i式中：

——表示传动比；

amn——表示机构对步进电机所需要驱动部件的最小的转角。[10] （2）电机的精度

步进电机的精度误差和螺距误差的积累可以用迭代法来测量。这里的累积误差是指从任意位置启动，经过n步，最大理论转子角度和实际角度差，更实用的方法是用累积误差的测量精度。根据电机应满足的要求：

Qi。 式中：

m——表示步进电机的积累误差；

s——表示对步进电机驱动部分允许的角度误差。[10] （3）转距

满足正常启动速度的要求，使步进电机正常运行（不越步，也不会丢步）。

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在这里，我们要考虑的是从最初的速度是比较低的，然后加速到一定速度。终于放缓保证步进驱动系统的高效运行，可靠的计算和精确的控制。我们要做的就是停止或合理，平稳加速和减速控制。

几乎在步进电机驱动电流进一步减少；细分驱动方法，几个实验，包括阻尼机械的使用方法。

（4）启动力矩

一般的启动力矩为：

MLO M0.3~0.5 式中：

Mq——代表电动机启动力矩； ML0——代表电动机静负载力矩。[10]

获得的数据表明，在一般要求的工作频率范围内，电机的转矩必须大于电机的静态负载转矩的旋转惯性力，旋转惯性和电机转动惯量和负载。

（5）启动频率

由于转动惯量和负载转矩增加，步进电机的启动频率会降低，因此相应的负载转矩和转动惯量在极限情况下启动的频率需要满足：

ftfop

m式中：

——代表极限启动频率； fop——代表步进电机启动时额定的最大频率；

m改进的电源和电源系统和原有CA6140车床和7.5KW功率必须保持一致。 另原功率为P1， 那么它的输出功率为： P=P1×0.953=6.5×103KW 步进电动机的功率为:

P6.4103 P2===6.6KW

η0.98在这里我们选择步进电动机的步距角为2 度，则

360Zr为转子数 N为ZrN==180转子转过一个齿距需要的脉冲数

2齿计算选取的步进电动机脉冲电源的频率：

3000180 F==9000

60查机械零件设计手册得选用BF系列160BF5B-1.5/0.75的步进电动机。

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4传动元件的设计

传动原件主要包括同步齿形带的计算，齿轮的设计。

4.1 同步齿形带

4.1.1同步齿形带的设计

在机床的改造，步进电机减速齿轮机构之间，可以通过减速机构的控制可以实现所需的驱动转矩脉冲当量的增加。通常是用齿轮或同步带传动.同步齿形带传动是一种新型的带传动，同步带齿型皮带轮传动，无相对滑动，使用无噪音，无需润滑，传动精度和效率高，40 ~ 80m／s的传输功率100kW的高速同步带传动，同步齿形带动态比可达10% 20%，且传动效率高达98%。所以，这是常见的在数控改造。采用同步齿轮传动。

同步齿形带传动的设计步骤为： （1）模数：

根据表1.表2Pc=KaP=1.6×6.5=10.4KW m=4 （2）齿数：

Z1≥Zmin 查表3选Z1=30， Z2=Z1i=30×1.5=45 （3）齿形带轮圆直径为：

d1=mz1=4×30=120mm d2=mz2=4×45=180mm

图4.1同步带传送简图

（4）带速为：

πD1n1π30000.18==0.2826m/s

601000601000（5）中心距为：0.7（d1+d2）〈a〈2（d1+d2）则210〈a〈600取a=500

V=

π（d1d2）d2d1（6）带长为：L=2a+=1473mm 24a

212

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1dd（7）小带轮啮合齿数：Zn≈(21)Z1≥Zmin(m≤2，Zmin=4，m〉2Zmin)

26a11Pd1.1410.41.14（8）带宽：bs≥bo()76.2()=114mm

KzPo6.6

图4.2同步带模数的选择

表4.1同步带传送工作情况系数KA

表4.2小带轮最小齿数

表4.3传动比系数K1

13

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表4.4聚氨酯同步带（强力层为钢丝绳)的质量和许用

拉力

表4.5同步带的齿数、长度和宽度

3.确定带轮直径和验算带速 选取小带轮基准直径:

d1130mm，d2125i1302.03261.261mm

取d2265mm。

验算带速:一般应使带速在5～25m/s的范围内。

14

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601000

式中 n1——表示小带轮转速（r/min） d1——表示小带轮直径(mm)

3.1413014409.52m/s[5,25]601000

根据计算得到设计的齿形带满足要求。

vvd1n14.确定带传动的中心距和带的基准长度

设计中心的距离，由颤动引起的中心距太小，单位时间内区应该循环数过多，疲劳寿命降低，按式（3-1）初始中心距离：

0.7(d1d2)a2(d1d2) （式4-1）

得到276.5a790,取中心距为a0400mm。

3.14(265130)2(130265)1431.54mm 带长：L240024400查表取相近的基准长度:Ld1400mm。

LL0带传动实际中心距:aa0d384.23mm

2安装时需要最小中心距：amina0.015L0384.230.0151431.54362.76mm 紧张或补偿伸长所需要最大中心距：

amaxa0.03Ld384.230.031400426.23mm

5.验算小带轮的包角

带轮的包角应不小于1200，包角过小会导致带传动的能力减低。

dd11802157.3159.9120 故合适。

a6.确定带的根数

根据式(3-2)计算尺V带的根数

Zpca (式4-2)

(p0p0)kkL式中 p0——表示单根V带的基本额定功率，p02.33 p0——表示 i1时额定功率的增量；

ka——表示小带轮包角修正系数，查表6-9得ka=0.95 kL——表示带长修正系数；查表6-2得k=0.90

L为避免齿形带工作时各根带受力不均匀，限制根数不大于10。

8.25Z3.78(2..330.22)0.950.90 取整数Z＝4。

7.计算单根齿形带的初拉力

根据公式（3-3）计算齿形带的出拉力

15

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F0500pca2.5k()qv2 (式4-3) vZk式中 pca——表示带的传动功率（KW） v——表示带速（m/s）

q——表示每米带的质量（kg/m）查表4-3取q=0.17kg/m

8.252.50.95计算得：F0500()0.179.522197.31N

9.5240.958.计算作用在轴上的压轴力

1161.4FQ2ZF0sin24193.7sin1506.50N

22

4.2 齿轮设计

4.2.1 齿轮材料选择

齿轮材料的选择可以根据以下原则进行选取：

1.当齿数比i≤2时，齿轮的大小，使用的材料相同的硬度； 2.当齿数比2〈i≤8，硬度应高于40hbs摩天轮硬度； 3.当齿数比i〉8，两砂轮硬度差可大于40hbs；

4.当齿轮材料的最低硬度大于或等于400hbs，两一般具有相同的硬度。 1. 传动组a

齿轮z1、z3、z5 与轴上的齿轮Ⅱz2、z4、z6啮合

ZZ248Z42362 41.42 612 Z124Z330Z536所以每对齿轮都采用选用40Cr经调质处理。 2.传动组b

轴Ⅱ上齿轮z7、z9与轴Ⅲ上的齿轮z8、z10啮合

Z862Z10422.82212Z722 Z942

齿轮z7应比z8 硬度高40HBS。 z7选用40Cr, z8选用45钢，都经调质处理。齿轮z9

和z10 可以采用相同硬度的材料，选用40Cr经调质处理。

3.传动组c

齿轮z11和z13、z12 和z14相互啮合。

Z1272Z3042 140.52 Z1118Z1360齿轮z11应比z12 硬度高40HBS. z11用40Cr, z12用45都调质处理。 齿轮z13和z14用相同硬度的材料。

16

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4.2.2 齿轮齿数的确定

传动比i采用的是标准公比的整数次方，齿数和Sz以及小齿轮齿数查[9]表8-1。 1.传动组a

ia1ia1111111 ia2 ia3 21.41121时：Sz……60、63、66、69、72、75、78……

2211ia2时：Sz……60、63、65、67、68、70、72、73……

1.411ia3时：Sz……60、62、64、66、68、70、72、74、76……

1可取Sz72,则可从表中查出轴Ⅰ上小齿轮齿数分别为：24、30、36。于是ia124/48，

ia230/42，ia336/36。

可得轴Ⅱ上的齿轮齿数分别为：48、42、36。

在此传动组中，轴Ⅱ上将采用三联滑移齿轮。当轴Ⅰ、Ⅱ上的齿数为36/36的齿轮啮合时，三联滑移齿轮左移。齿数为42的齿轮将从轴Ⅰ的齿数为24的齿轮旁边滑移过去。要使这两个齿轮外圆不相碰，这两个齿轮的齿顶圆半径之和应等于或小于中心距。对于不变位的标准齿，三联滑移齿轮的最大和次大齿轮之间的齿数差，应大于或等于4。此设计中，48-42=6>4.满足要求。 2.传动组b

ib11311 ib2 2.81查[9]表8-1

11ib13时：Sz……69、72、73、76、77、80、81、84、87……

2.81ib2时：Sz……70、72、74、76、78、80、82、84、86……

1可取 Sz84，于是可得轴Ⅱ上两联齿轮的齿数分别为：22、42 于是 bi122/62，bi242/42，得轴Ⅲ上两齿轮的齿数分别为62、42。 3. 传动组c

2211　　ic2 ic14　　　411查[9]表8-1

11 ic14　　　 时：Sz……84、85、89、90、94、95……

4ic222 时： Sz……72、75、78、81、84、87、89、90…… 11

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可取 Sz90。

ic11/4为降速传动，取轴Ⅲ齿轮齿数为18；ic22为升速传动，取轴Ⅳ齿轮齿数

为30。

于是得ci118/72,ic260/30得轴Ⅲ两联动齿轮的齿数分别为18，60；得轴Ⅳ两齿轮齿数分别为72，30。

各传动组齿数如下表4-6所示:

变数组 齿数和 齿轮 齿数 z1 z2 表 4-6 齿轮齿数表 第一变速组 第二变速组 a b 72 84 z3 z4 z5 z6 z7 z8 z9 第三变速组 c 90 z10 z11 z12 z13 z14 24 48 30 42 36 36 22 64 42 42 18 72 60 30 4.2.3 绘制传动系统图

根据轴数，齿轮副，电动机等已知条件，可画出系统图，如图4-3所示。

图6-3 传动系统图

4.2.4 模数计算

因为变速组模数相同。因此可以计算出最小的齿轮，然后以标准模块为一组传输模块。 1.传动组a 以z1=24计算

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①系数的选择：选取d0.25

载荷系数的选择：原动机为平稳工作的电动机，为机床提供平稳的动力，载荷冲击较小，取K=1.0～1.2，取K=1.0。

② 算齿轮轴上的扭矩T19.55106式中 P——表示电动机额定功率 n——表示齿轮转速

③ 齿轮接触疲劳强度设计 1）对于直齿圆柱齿轮，以大齿轮的材料决定的接触应力为准，对于45钢取HBS2230取较低极限应力值：Hlim1Hlim2670MPa。安全系数SH1.1，计算接触疲劳的寿命系数KHN8p7.59.551060.10088106N．mm n710N0。 N4816300104.0910924

2.4N0应力循环基数，可取N030HBS1.397107，因N>N0,故KHN1，许用接触应力计算：

HKHNHlim609.1MPa

SHN60nth607102）区域系数ZH2.5，弹性影响系数3）小齿轮分度圆直径：

ZE189.8MPa。

22KT1i1ZEZHd13diH4）计算模数:m621.10.1008810212.5189.8387.4mm0.252670

2d187.43.6,取标准模数m=4。 Z124则传动组b，模数m=4。 传动组c，模数m=5。

4.2.5 齿轮的几何尺寸

此次设计的齿轮均为标准的直齿圆柱齿轮，其几何参数的计算可以参考直齿圆柱齿轮的公式进行计算：

① 分度圆：dmz

**dd2hm(z2haa) ② 齿顶圆：a*③ 齿根圆：

④ 齿宽：b21d1 d1b2(2~3)mm ⑤ 中心距：ad1d2 2dfd2hfm(z2ha2c*)

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dn⑥ 节圆速度：v 600011表4-6 齿轮参数表

传 模 动 数 组 m 传 动 4 组 a 传 动 组 b 传 动 组 c 4 齿 数 和 72 72 72 84 84 4.5 90 90 齿 轮 齿 数 分 度 圆 d 96 192 120 168 144 144 88 248 168 168 齿 顶 圆da 104 200 128 176 152 152 96 256 176 176 齿 根 圆df 86 182 110 156 134 134 78 238 158 158 齿 宽 b 22 20 26 24 30 28 24 22 34 32 22 20 32 30 中 心 距 a 节 圆 速度： 精 度 等 级 7 6 6 7 7 7 7 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 Z11 Z12 Z13 Z14 24 48 30 42 36 36 22 62 42 42 18 72 60 30 144 3.57 144 4.46 144 5.35 168 1.64 138 2.68 202.5 202.5 1.67 1.96 81 90 69 324 333 312 270 279 258 135 144 123 4.2.6 齿轮的结构设计和布局

1．结构形式：

由表3-1可以知，齿轮z1、z3、z5、 z2、z4、z6、z7、z9、z10、z11、z12的齿数均不大,设计成直齿圆柱齿轮轮。

2．布局：

设计中使用到了三联滑移齿轮和双联滑移齿轮，其布局应满足图4-3所示关系。

图4-3 齿轮布局关系图

20

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4.2.7齿轮的校核

校核传动组a的齿轮。校核第一对传动齿轮，齿数Z1=24，Z2=48，确定各项参数 1.确定许用应力

这对齿轮材料均为40Cr并进行调制处理。 轴Ⅰ齿轮：Hlim1Hlim2670Mpa 轴Ⅱ齿轮：Fhlim1Flim340Mpa

2轴Ⅲ齿轮：安全系数SHmin1.1 SFmin1.5 传动比：i2 使用时间：

N160nth607104816300104.09109 24N2N1/i2.045109

轴Ⅰ齿轮：接触强度计算寿命系数ZN1ZN21

轴Ⅱ齿轮：弯曲强度计算寿命系数YN1YN21

Z6701HP1HP2HLimN609.1MpaSHmin1.1

Y34021FP1FP2FlimSTYN453.3MpaSFmin1.5

2.验算齿面接触疲劳强度

9.55106P9.551068.251.0088106N.mm 计算工作转矩：Tn710轴Ⅰ齿轮：使用系数KA1.0

确定动载荷系数:齿轮精度为7级，Kv1.07 非对称布置：

K1.2,K1.1 KKAKVKK1.01.071.21.11.4

轴Ⅱ齿轮：区域系数ZH2.5

轴Ⅲ齿轮：弹性影响系数ZE189.8MPa

21.41.0088106(21)HZHZE2.5189.8495MpaHP2222962bd1i计算得到齿面接触疲劳的强度满足设计要求。

2KT(i1)3.验算齿根弯曲疲劳强度

轴Ⅲ齿轮： Fa12.65,YSa11.58 Fa22.33,YSa21.69 b/h24/(42)3,KF1.27

21

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F12KT21.41.0088106YFa1YSa12.651.58196MpaFp1bd1m22964

YY2.331.69F2F1Fa2Fa2196185MpaFp2YFa1YFa12.651.58

两齿轮的齿根强度满足要求。

所以齿轮设计合格。

用上述方法算得传动组a中的其他齿轮，传动组b和传动组c中的齿轮均满足使用要求。

4.2.8 采用波形弹簧垫圈消除齿轮间隙

数控车床的改造，通常在传动装置采用齿轮增加扭矩和传动精度和齿侧间隙会在每一个系统变量使运动滞后于指令信号，那就是，反弹的形成，对加工精度的影响。一般采用轴向压簧错齿结构，通过弹簧调节来消除间隙，但间隙可以自动补偿，但轴向尺寸大，结构不紧凑。在改造一直使用橡胶弹簧，但其机械性能是非常复杂的，大多数下载负荷与变形的关系是非线性的，和弹簧钢的耐高温和耐油性能比较差，容易老化。因此，波浪弹簧垫圈的间隙，如图3.2所示，既可以弥补差距，结构紧凑。[11]

5主轴的相关设计

5.1联轴器的选择

联轴器是用来减少耦合和惯性矩的径向尺寸；同时为保证连接的两轴的同轴度和接触面积之间的相同，随着套筒长度120mm的接触，大约1.5倍，弹性柱销联轴器。颈部的轴和轴套锁和2垂直的锥形销，和连接刚度是保证，如图3.3所示。

图5-1 套筒式联轴器

22

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5.2 键的设计

1.选择键的类型

为了保证良好的齿轮传动轴的啮合性能，粒型的要求，所以A型普通平键连接的选择。 2.选择键的材料

设计的键均选用应用比较广泛的Q345钢。 3.选择键的主要尺寸

关键1按轴的直径d = 44mm的[ 8 ]表16-1检查键宽b = 12mm。键= 8mm，粘结长度的考虑与齿轮齿宽b＝30mm的匹配，所以粘结长度应小于，也低于齿轮轮毂的长度，所以关键长带标记L = 22mm。取键12 x 22GB1096-79。

键Ⅱ： 12×16GB1096-79。 键Ⅲ： 12×18GB1096-79。 键Ⅳ：14×25GB1096-79。 键Ⅴ：14×18GB1096-79。 键Ⅵ：16×25GB1096-79。 键Ⅶ：16×18GB1096-79。

5.3键的校核

对键Ⅰ进行校核，由齿轮设计时可知：

p7.5T19.551069.551060.10088106N．mmn710

查[11]表16-2，钢的p120~150MPa，由[11]式（16-1），计算键联接的挤压强

度

4T40.10088106p115MPapdhl4482212

同理计算出键Ⅱ、键Ⅲ均满足要求。

5.4选择主轴轴承

轴支承在轴上，与轴为主轴，这也会影响到工作状态的旋转精度和轴..CA6140车床主轴轴承的轴颈与轴颈尺寸精度IT6公差通常从1到9，其中特种精密轴颈一般IT5级或更高。在计算力学性能的工作主轴，压力往往集中在主轴的中心，和CA6140车床主轴设计空心形状大大减小了轴向刚度和应力集中，主轴寿命大大提高。

主轴是主轴组件的重要组成部分，一般是指主轴支撑轴承与轴承座装配零件，是轴承的核心元件。轴承的选择滚动轴承的选择，滚动轴承的主要优点是能够适应在较大的转速和负荷的变化；在间隙为零或负空间稳定运行的条件下，回转精度高，刚性滚柱轴承和轴承的润滑；非常容易，维护，供应也方便。

23

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5.5主轴的计算

驱动主轴的主齿轮和皮带传动。一般齿轮能传递大扭矩，它通常是最常用的齿轮加工机床。但也有缺点：线速度无法提升到高，传输不是很稳定。通常，线速度v《1215m /s。为了使主轴运转顺利，在这里可以同步齿形带；主轴驱动布局。大多数车床是通过齿轮组传动轴。在CA6140普通车床齿轮和轴承，齿轮的设计，尽可能把前轴承，可以有效减小主轴的弯曲变形。此外，还可以减少主轴部分的传动扭矩，扭变性也减少。

为了保证机床的性能，这是必要的操作主轴的恒功率速度。因此，有必要建立分类变速箱。

假设取变速箱的公比：φ=Rp=2.78 则由于无级变速时：Rapz1pRp

pRzlgplg25计算得出的变速箱的变速级数为：Zp2.783.04

lglg则取Z=3

5.5.1主轴直径的计算

在设计之初，设计方案的确定，没有具体的结构。因此，只有根据原主轴直径的统计数据，装配通用机床，主轴直径往往是从前面到后面一段一段的减少。后轴承直径D2往往比前轴承直径D1小。通常，车床主轴（0.7-0.9）D1 D2 =200。磨床主轴往往是前。中后桥等，较粗。d1= 110，d2= 80mm。

表5-1主轴前轴径直径 主电动5.5 7.5 11 15 机功率 卧式车60~90 床 升降台60~90 铣床 外圆磨60~70

75~110 90~120 100~160 75~100 90~110 100~120 70~80 24

75~90 75~100 毕业设计(论文)

床 5.5.2 主轴悬伸量的确定和跨距的选择

在设计的时候，要尽量缩短量的悬升。主轴悬升量a实际前支撑径向力作用点之间的距离。查阅《金属切削机床》得到图10-23，CA6140车床工作的负担是一个a= 150毫米的悬伸量。

对主轴组件的性能，主轴跨距（前、后轴承之间的距离）有很大的影响。 下面讨论选择的方法：

图5-2 主轴最佳跨距示意图

查阅《金属切削机床》中主轴的计算方法。我们设计是假定轴承为刚性支座，另外假定它的主轴为弹性体，那么主轴在前端受力F后形成的桡角为δs。如图5-2中b所示。

Fa3l s 1 式（5.1）

3EIa所以：

sa3l11ia3 F3EIa4如果我们假设主轴为刚体，支承为弹性体。实际情况应如图3.3中b所示。我可以近似地认为支承受力受力影响的线性变形，只是变性不大。前后支承的支反力分别为RA和

RB，刚度为KA和KB，则前后支承的变形A和B分别为： RRAABBKA， KB，

ZA1Bala l，

25

毕业设计(论文)

aa 又RAF1RBF

l，l，

所以：

F ZKAKAa22a 1Kl2l1

B式（5.2）

主轴端部的总挠度：

Fa3lFsz13EIaKAKAa22a 1Kl2l1B 式（5.3）

最小挠度的条件为

d=0。这时的l则应该是最佳跨距l0。 dlFa3llFKA2a22a10 3EIaKKl3l2 式（5.4）

AB00

3l0 整理后得：

6EI6EIKA1la00 式（5.5） KAKAKB 可以证明，这个三次方程的解经过计算只存在唯一的正实根。但是这个方程求解起来

比较麻烦。因此，可用计算线性图解决。

EI令综合变量

KAa3代入式（5.5），可以得出:

l0a3

是

1 式（5.6）

l0KA6aK1B

lolKK和A函数，是一个无量纲量。可以用A为参变量，作出—o的计算线图，aaKBKBN，m2如《金属切削机床》中图10-24所示。计算单位：长度均为m，力均为N，弹性模量为刚度为

N。 m（1）前轴颈应为75～110㎜。初步选定d1=110㎜。后轴颈d2=（0.7～0.9）取d2=80d1，㎜。根据设计方案，选前轴承选择NN3020K型圆柱滚子轴承，后轴承选择NN3016K型

26

毕业设计(论文)

圆柱滚子轴承。 （2）求轴承刚度

主轴的最大输出转矩（不考虑机械效率）：

T9550P7.59550Nm1432.5Nm n50CA6140车床的基本加工参数不会因为数控机床改造而改变，其最大加工直径仍旧是最大回转直径的60%，即轴颈长度为240mm，故半径为0.12mm。

切削力Fc1432.5N11938N 0.12背向力Fp0.5FC5939N 故总作用力FFC2FP213347N

该力作用于顶尖间上的工件上，所以主轴和尾架各承受一半，故主轴端受力为：

F≈6670N。 2假设时，先假设一个初值为和RB分别为：

l=3，l3120mm360mm。前后轴承受到的支反力RAaRARBFla3601506670N8890N2l360

Fa1506670N2220N 2l360根据式可求出前、后轴承的刚度

KA2116N/m；KB1488N/m （3）求最佳跨距

KA21161.42 K1488 B初步计算，可以认为等效直径的心轴de（同轴弯曲刚度的实际直径主轴）前、后轴颈的平均值。de11080mm/295mm。故惯性矩为

I0.050.0940.084301.5108m4

EI2.11011301.51080.17 336KAa21160.1210

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最佳跨距l01502.86mm430mm。

驱动力通常不在实际计算时，考虑的范围内。当然这和实际情况不一致。但只要计算条件是统一的，根据轴的集中载荷的计算。在相同条件下比较，计算结果可以用来判断主轴组件。

5.6轴承的选择与计算

后支架可自动调整为双列球面球轴承，如图5.2所示。双列角接触球轴承可承受径向载荷和轴向载荷，更重要的是可以消除安装误差引起的干扰，导轨的直线度误差，在切削轴与轴承之间的变形过程，自动调整其相对位置，保证运行的准确性和螺钉的位置精度。

图5-2双列向心球面球轴承

5.6.1 轴承的校核

检查主轴的强度。所有的高速主轴组件，临界转速的计算必须进行系统。

在确定规定条件的切割机，还有一个最大的未切割的自激振动。机床设计中，为了获得机床的刚度要求，根据机床设计的尺寸和性能，一个极限切削宽度的规定在机床系统的刚度要求，可以计算如下：

KXKcbbkimcos2(1) 式（5.7）

式中 Kcb——表示切削系数（N/（μm·mm））; blim——表示极限切削宽度（mm）;

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——表示机床系统阻尼比；

——表示作用力Fa与切削工件表面垂直线的夹角。

用于机床和切削方法，β是一个固定的常数。不同的切削速度v不同于进给速度。但切割需要实际的使用是一种稳定的下限，最后决定极限切削宽blim。经过数个实验最后得出，V=50m/min，s=0.1mm/r左右时，Kcb最大，即要求Kx=2.46N/(μm·mm)，β=68.8°。

考虑到主轴外伸端长度和前面的直径不小，在变形的计算忽略了。根据其他机床的结果，包括主轴是50% ~ 70%主轴主轴变形，所以平均是60%；并通过支持变形占30%到50%，平均40%。所以：

22aB1aB KAKB0.620421aAaA 式（5.8）

主轴本身端部的刚度:

KsKA1.66KA 式（5.9） 0.6

在简支梁的计算。有多种可选的轴承，如深沟球轴承，单或双列圆柱滚子轴承，轴承的简化点..如果三接触轴承然后在第二中心线接触线的交点旋转，前轴承。这种方法可使轴承刚度等于原轴承的2.6倍，

edmtan。 2 主轴的计算简图见图5-3：

图5-3主轴计算简图

2F1aAaA3EI 式（5.10）

式中 I ——代表主轴支承之间那一段的当量惯性矩（m4），Ｉ＝0.05de4di4；

de、di——代表主轴支承之间的当量外径和孔径（ｍ）． 把Ｉ和Ｅ的值代入上式，得到钢制主轴的刚度为：

3104de4di4 Ks 21aAaA 当di/de0.5时，孔对刚度的影响几乎可以忽略，则:

3104de4Ks2

aA1aA

 式(5.11)

式(5.12)

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按式子算出的Ks应大于或等于上面得出的刚度要求。此CA6140车床：跨距l=470mm0.47m 当量外径de＝0.106m 主轴刚度：

由于di/de=52/106=0.49＜0.5 故：

31040.1064KsN/m1240N/m 20.0740.4830.074对于机床刚度的要求，由于高效的通用机床和机床主轴的刚度可根据自激振动的稳定性决定。取Ϛ＝0.025；当ｖ＝50m/min，s=0.1mm/r时，Kcb＝2.46N/μm，β=68。根据计算需要切削稳定性良好的机床，取:blim0.02Dmax4mm 代入式（5.8）得：

2.464cos68.8oN/m KB20.02510.025 根据机床稳定性指标的规定，假定工件长度L=0.3Dmax=120mm。

根据式（5.11）

227421274/470KA690.60.4N/m619N/m 2274174/470根据式（5.12）

Ks1.66KA1028N/m619N/m

5.7对主轴进行有限元分析

CA6140主轴结构复杂，并且在过去的分析，它是用来计算经验公式，它不仅复杂，而且具有较大的计算误差。解域是由许多小的子域有限元互连，每个单元假定一个合适的（简单）的一般领域符合条件的近似解和派生（如平衡条件结构），从而通过有限元分析获得的溶液（FEA，有限元分析。有限元方法可以适应各种复杂的形状，可适用于各种复杂的形状，从而成为一种有效的工程分析方法。

有限元分析可以分为两个阶段，治疗前和治疗后。预处理是建立有限元模型，完成网格划分，再后是收集和分析结果，和用户可以很容易地提取信息和理解的结果。本文根据阶梯轴的主轴CA6140型车床主轴的特点，分为十段，由思想。0几何建模，应用ANSYS5。7软件的机床主轴的简化力学模型，提出了，在三节添加约束后，根据4单位体表单元划分的几何模型。的变形和应力主轴在低速大负荷进行了分析。

[20]

5.7.1机床主轴有限元分析

1建模，得到

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图5-4主轴建模图

2对建模进行前置处理，得到

图5-5主轴建模图前置处理

机床主轴是两支撑结构，和中间辅助支持是提高机床的刚度但在低速、重载运行，轴变形大，所以辅助支持播放，所以按三支持和约束。

根据1.2部分的力学简化模型，添加约束和力在3节..补充因为力主要来自前前端支撑卸载装置，长久以来的支持，所以在添加X，Y的前面，Z向移动的约束和X，Y的转动约束2，中间支持和后台支持主要的X，Y方向的移动，以防止z定义，所以中间支撑，支

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持X，Y向约束，添加，图形，如图5.5所示。

在分析过程中，作者使用了思想。0建立几何模型，桥。网格，是考虑数量计算，准确计算和其他因素，这种划分四面体单元划分网格，采用智能划分方法，共15335个生产单元，4229个节点。

3对机床主轴建模进行后置处理

后处理完成的系统输出最大变形：DMX = 0。004037mm和变形最大值在前支撑和辅助支持设置齿数z = 58齿轮之间，节点间输出，可见最大应力为931mpa。应力最大点也是前支撑和配套的支持关系。

5.8卡盘的计算与选型

对数控车床的改造设计，所以选择更适合数控车床四爪自定心卡盘。

四爪卡盘架碟机手动四爪自定心卡盘，四个小伞齿轮，一对爪。四个小伞齿轮和钢板网，铁丝背部椎间盘平面螺旋结构，飞机上的螺钉等安装爪。卡爪小，线是旋转的，它是由中心或附近的平面螺纹，退出后因为平面矩形螺纹的螺距相等的板，所以四爪自动移动的距离，自动定心。

1）夹迅速提高工效

与手动卡盘，卡盘只需按下按钮，瞬间工件的装夹和夹持力的稳定可调。此外，为了提高工作效率，而且实现了数控机床的操作，大大降低人力资源成本，减少设备投资，广泛应用于机械加工企业批量。

2）降低劳动强度，提升企业形象

该卡盘的使用可以提高生产效率，大大降低了工人的劳动强度，使您的企业成为一个富有同情心的工人模型，也为企业的人员招聘和提高产品添加一个新的亮点，市场竞争力，

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还可以提高装备水平，增强了企业的整体形象，是一种超高强度机械加工企业设备改造的首选产品。

3）结构简单，易于安装。

液压四爪单动卡盘包配置卡盘，液压装置和安装无拉杆，改变了传统的液压、气动卡盘的结构复杂，安装麻烦的问题，用户可以阅读安装说明书和示意图，短时间内就可以完成安装过程，可以为广大用户安装成本高和储蓄生产成本，也为用户提高机床操作的效率。

4）夹持力和夹持范围广

卡盘结构创新，独特的设计，改善了传统卡盘夹紧力小，强度不稳定的缺点和夹力是稳定可靠的，可以调整大小，客户可以选择梳软爪，硬爪，爪和自定义形状，根据工件尺寸调整梳定位处理种零件。

5）安全性和可靠性：

由液压缸夹紧，齿轮齿条和丝杆产生的力转换。此外，夹紧力也具有自锁功能，夹紧工件的入口和出口的去除后，能牢固地夹紧工件的切割，完全为客户解决了一系列的安全性和可靠性方面的问题。

5.7.1工作原理

该卡盘动力元件由机械机构与液压机构共同作用实现运动。

机械的工作原理：单活塞液压缸对称布置，放置在卡盘体，液压缸的活塞杆加工带齿，分别与盘丝的各种螺旋齿轮啮合加工，液压油缸通过液压站提供的压力驱动活塞齿条往复运动，齿条带动螺旋齿轮的运动，四丝杆分别由爪驱动（图2.1）在卡槽螺旋传输卡，以便夹紧，松开工件。[21]

图5-6卡爪图

的液压工作原理，即使管路单向阀开启，为了打开阀门1，2，3，4，液压油由不同的换向阀分别进入液压缸的左腔，通过管道回油箱，液压缸的液压油，右腔，活塞位移分别对，，控制机械工件的夹紧。相反，活塞左移，松开工件。[21]

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图5-7液压系统简图

因为卡盘并不需要特殊的计算，所以从经济方面考虑。选用CK6132液压四爪卡盘。

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结论

随着微电子技术的发展，中国的数控机床得到了巨大的发展，普通机床经过数控改造，满足机床数控化的同时，也可以大大降低企业成本。在实践的过程中，值得广泛的应用。

本次毕业设计是对CA6140普通车床的数控改造，首先确定系统的脉冲当量、切削力的计算，分别从横向和纵向进给系统进行数控改造的机器，转化为计算滚珠丝杠和滚珠丝杠螺母副的设计，通过数据来确定，模型的选择，对齿轮传动的计算。然后确定主轴伺服电机。决定采用步进电机作为主要驱动力，并按照相关要求进行纵向、横向进给系统中的步进电机，从而确定步进电机的类型。

但由于目前的理论知识转化为现实生产力水平不足，仍有一定的距离，因此本毕业的普通车床整体数控化改造设计，车床数控系统的编程，计算机控制的车床等的使用没有做设计，这就要求我们在研究未来的工作需要继续学习专业知识，以期为普通车床的数控化改造提供工程参考。

当然，由于我的专业知识的缺乏，会导致在本文中的一些问题，请老师批评。

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致谢

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