1 绪论随着科学技术的不断发展,对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。
机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要的措施。
它不仅能够提高产品的质量，提高生产效率，降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。
1.1 先进制造技术的提出当今世界各国经济的竞争，主要是制造技术的竞争。
在企业的生产力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。
美国现在正推行以微电子带动的第三次产业革命，重点就是发展先进制造技术。
当前，制造技术已经进入了计算机辅助制作时代，它是通过一个计算机分级结构网络来监测、控制和管理制作过程中各个阶段的工作，其中包括生产管理与控制、工程分析与设计、财务与销售等方面。
在制造系统中，存在着以生产对象为中心，由原材料→毛坯→零件→成品构成的物质流，以生产管理和信息管理等管理技术为主题的信息流以及为了保证生产活动正常进行而必须的能量流。
其中，信息流的引入是形成先进制造系统最关键的要素。
以机械制造为代表的先进制造技术，对一个国家的技术经济发展起着至关重要的作用。
它的水平高低在很大程度上反映了一个国家工业发展的水平，是现代企业最重要的看家本领，是企业竞争力的最重要因素，也是提高产品自主开发能力和技术创新能力、提高产品质量的技术基础。
1.2 先进制造技术的特点先进制造技术已经不是传统意义上的机械制造技术，它是集机械、电子、光学、信息科学、材料科学、管理科学与许多领域最新成就于一体的新兴技术与新兴工业，是各种先进技术与制作技术的有机结合，具有以下六个特点。
(1) 先进性作为先进技术的基础——制造技术，必须是经过优化的先进工艺。
因此，先进制造技术的核心和基础必须是优质、高效、低耗、清洁的工艺。
它从传统工艺发展起来，并与新技术实现了局部或系统集成。
(2) 通用性先进制造技术不是单独分割在制造过程中的某一环节，它覆盖了产品设计、生产设备、加工制造、维修服务、甚至回收再生的整个过程。
(3) 系统性随着微电子、信息技术的引入，先进制造技术能驾驭信息生成、采集、传递、反馈、调整的信息流动过程。
先进制造技术能驾驭生产过程的物质流、能源流和信息流的系统工程。
(4) 集成性先进制造技术由于专业、学科间不断渗透、交叉、融合，界限逐渐淡化甚至消失，技术趋于系统化，以发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术于一体的新兴交叉学科，因此有人称其为制造工程。
1.3 数控化改造的优缺(1) 减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省60％～80％的费用，改造费用低。
特别是大型、特殊机床尤其明显。
一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。
但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高2～3倍，与购置新机床相比，只能节省投资50％左右。
(2) 机械性能稳定可靠，结构受限所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。
但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。
(3) 熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。
改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。
改造的机床一一安装好，就可以实现全负荷运转。
(4) 可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。
2 设计方案的确定初步确定设计的任务后（初步拟定三种传动方案即 1 电机直接与丝杠相连；2 电机通过同步带的传动带动丝杠转动；3电机通过齿轮传动带动丝杠转动）数控机床按控制方式分为开环、闭环、半闭环，由于采用直流式交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价也高。
闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设备中，由于所改造的数控车床加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。
若采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，精度较闭环控制的查，但是稳定性好，成本较低，调试维修较容易；但是对于经济型数控机床来说必要性不大。
故在本次设计中，采用开环控制步进电机驱动即保证改造后的性能不低于原车床，又保证较高的性价比。
步进电机具有如下优点：1)电动机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量；2)电动机的转速与输入的脉冲频率成正比，与要控制脉冲频率就能调节步进电动机的转速；3)停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某个固定位置上，不需要机械制动装置；4)变通电相序即可以改变电动机的转向；5)进电动机存在齿间相邻误差，但是不会产生累积误差；6)进电动机转动惯量小，启动、停止迅速。
滚珠丝杠副具有摩擦因数小，传动效率高，所需的传动转矩小；灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行；随着精度和定位精度高，磨损小，寿命长，精度保持性好，可通过预紧间隙消除措施提高轴承刚度和反向精度，运动具有可逆性。
故在本次设计中采用它带动车床工作。
传动方案1的结构简单，但是消除由步进电动机引起的振动等现象能力较差，故在本次设计中不采用。
传动方案2的同步带传动保持恒定传动比，传动精度高工作平稳，结构紧凑，无噪声，有良好减振性能，但制造工艺比较复杂，传递功率较小，寿命较低，故在本次设计中不易采用，所以本次设计中采用齿轮传动，其主要特点是效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长，传动比稳定，传动过程中采用消隙齿轮，消除正反转齿轮间隙提高传动精度，性价比高。
控制部分设计要求能控制坐标轴的运动，考虑使用方便决定采用单片机8031，以及8155等芯片组成键盘、显示控制面板等机床控制电路。
3 机械部分设计与计算3.1 切削力的计算若工件为(45#HB250)，取：CF = 1063.12，VF=0.129，dF=0.903 ，fF=0.956，f F f=0.966V=18m/min ，d=6mm，f=0.102mm/r则：F= CFV F V d F d f F f（3-1）=1063.12×180129×60905×0.1020966 =877.82(N)对于麻花钻钻削加工：FX=0.57F=0.57⨯877.82=500.4(N)FY=0.4F=0.4⨯877.82=351.128(N)FZ=0.03F=0.03⨯877.82=26.33(N)3.2 滚珠丝杠设计计算1) 强度计算对于燕尾型导轨的牵引力计算：Fm =KFX+f(FZ+2FY+G) （3-2）取 K=1.4 f=0.2考虑工作台在移动过程中只受G影响故： F1m=fG=0.2×450=90(N)考虑工作台在加工时静止只受FX影响故： F2m = KFX=1.4× 500.4=700.56(N)取Fm ax = F2m2) 计算最大动载荷 C初选螺母副导程 L 0=6mm ，丝杠的转速 n=100r/min ，且L=61060nT查机械手册取 T=15000h ，则：L=61060nT=6101500010060⨯⨯ =90 考虑滚珠丝杠在运转过程中有冲击振动和考虑滚珠丝杠的硬度对寿命的影响。
查机械手册取 f W =1.2 ， f H =1.0 得：Q=3L f W f H F （3-3）=390×1.2×1×877.82=4.72 (KN)由机械手册选知W2506型滚珠丝杠(Ca=13.1 KN > Q),所以刚度足够。
3) 效率计算根据公式，丝杠螺母副的传动效率η为： η=)tan(tan φ+v v（3-4）摩擦角 Φ=10′ ，螺旋角γ=4°22′，代入上述公式，得：η=)tan(tan φ+v v=)01224tan(224tan '+''=0.963滚珠丝杠的传动效率高，这可使丝杠副的温度变化较小，对减小热变形，提高刚度、强度都起了很大作用。
4) 刚度验算：滚珠丝杠受工作载荷Fm 引起的导程变化量：△L1=±ZFL F m 0（3-5） 取L 0=6 mm=0.6 cm ，E=21×106N/cm 2则：F= 22）（d 2π=3.46 (cm 2)△L1=±ZFL F m 0=±46.310216.056.7006⨯⨯⨯ =±5.78×106- 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量△L2很小，可忽略，既△L=△L1 所以导程变形总误差△为：△=100L ∆=6.01078.51006-⨯⨯=9.64(μm/m )查机械手册知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（1m 长）为15 μm/m，故刚度足够。
5) 稳定验算机床的进给丝杠通常是轴向力的压杆，若轴向力过大，将使丝杠失去稳定而产生弯曲，依据欧拉公式计算:F K =2)(L ZJμπ （3-6） 式中截面惯性矩，对实心圆柱有:J=6441d π=64984.2014.3⨯=0.95 (N·cm)F K =2)(L ZJμπ =262)101(95.01021⨯⨯⨯⨯π=1972613.719 (N)由机械手册知：[n K ]=2.4～4 而：n K =mKF F （3-7）=56.700719.1972613=2815.77 > [n K ]所以滚珠丝杠安全不至失稳 6) 滚珠丝杠基本尺寸如表3.1所示表3.1滚珠丝杠副主要尺寸列表3.3 齿轮的相关计算1) 传动比的计算：i t =PL δα3600（3-8） =005.0360675.0⨯⨯=2.52) 初步分配传动比由上按获得最小转动惯量的原则分配传动比：i t =i 1i 2 i 2=21i得 i 1=1.52 i 2=1.64 3)初步估计齿轮模数m=1.25主要尺寸 计算公式 计算结果 公称直径 d0 —— 25 基本导程 L0 —— 6 滚珠直径 d3 —— 3.969 滚珠圆弧半径 R —— 2.064 螺旋升角 γ —— 4°22′ 滚道圆弧偏心距 e —— 0.056 丝杠大径 d —— —— 丝杠小径 d1 d 1=d 0+2e-2R 20.984 丝杠长度 S S 〈700 —— 螺母大径 D —— 45 螺母小径 D0 —— —— 螺母长度——58（2列）小齿轮：Z1=27大齿轮：Z2= i1Z1=1.52⨯27= 41b 1=17mm b2=20mmd 1=mZ1=1.25⨯27=33.75mmd2= mZ2=1.25⨯41=51.25(mm)a 1=221dd+=225.5175.33+=42.5(mm)小齿轮：Z3=30大齿轮：Z4 = i2Z3=1.64⨯30=49b3=26mm b4=28mmd3= mZ3=1.25⨯30 =37.5(mm)d4= mZ4=1.25⨯49=61.25(mm)a2=243dd+=225.615.37+=49.375(mm)3.4 转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：J1=(παδ180)2·G（3-9）=(75.0005.0 180⨯⨯π)2×450=65.66(N·cm2)丝杠的转动惯量：Js=7.84⨯104-P4L=7.8×10-4×24×48=5.9904(N·cm2)齿轮的转动惯量：J1Z=7.84⨯104-P4L=7.8×10-4×(3.775)4×1.7=1.72(N·cm2)J 2Z =7.84⨯104-P 4L=7.8×10-4×(5.125)4×2=1.076(N·cm 2) J 3Z =7.84⨯104-P 4L=7.8×10-4×(3.75)4×2.6=4(N·cm 2)J 4Z =7.84⨯104-P 4L=7.8×10-4×(6.125)4×2.8=30.738(N·cm 2)总传动惯量：J=22214Z Z J J Z S ++2123Z J J Z Z ++J 1Z +J 1=22227076.144127738.309904.5++⨯++1.72+65.66=79.679(N·cm 2) 快速空载时所需的力矩：M=M m ax a +M f +M 0 （3-10）当n=n m ax 时 M m ax a =M a ，则： n m ax =0m ax L i v =625100⨯=416.67(r/min)M m ax a =4106.9-⨯TJn=1.66(Ncm) M f =i wL f πη20'=5.28.026.045016.0⨯⨯⨯⨯⨯π=3.44(N·cm) 当η=0.9时 预加载荷 P 0=3XF ，则： M 0=i L F X πηη61200）（-=5.28.069.016.056.7002⨯⨯⨯-⨯⨯π）（=3.44(N·cm)M t =i L F X πη20=5.28.026.056.700⨯⨯⨯⨯π=33.45 所以快速启动时所需力矩： M=M m ax a +M f +M 0=1.66+2.865+1.765=6.29(N·cm) 切削时所需力矩： M=M at +M f +M 0=0+0+1.765+27.87=29.635(N·cm)3.5 步进电机的选择由前面分析计算可知所需最大力矩M m ax 发生切削启动时 M=M m ax =35.568 N·cmM q =6.0max M =4.0568.35=74.0875 (N ·cm) 为满足最小步进距要求，电动机选用三相三拍工作方式 查机械手册知：jMq M M =0.886M jM =866.0q M=102.68( N·cm)步进电动机的最高频率：f m ax =pv δ60max=005.0601000⨯=3333.33(HZ)选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求3.6 齿轮的验算1）材料的选择由机械设计表选择小齿轮材料为40Cr （调质），硬度为280HBS ，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS2）第一对齿轮按齿面接触强度设计 由设计计算公式：d t 121211])([))(1(32.2H d E t i Z i T K σφ±≥ （3-11）(1) 确定公式内的各计算值 ①试选择载荷系数 K t =1.3 ②小齿轮传递的转矩T=8000(N·m ) ③选出齿宽系数d φ=0.5④查得材料的弹性影响系数Z E =189MPa 21⑤由机械手册（按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度）1lim H σ=600MPa 大齿轮的接触疲劳强度极限2lim H σ=550MPa 小齿轮的接触疲劳强度极限 ⑥计算应力循环次数:N 1=60n 1j h=60⨯833⨯1⨯（2⨯8⨯300⨯15）=3.6⨯109 N 2=11i N =52.1106.39⨯=2.368⨯109⑦查得接触疲劳寿命系数K 1HN =0.92 K 2HN =0.96 ⑧计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%安全系数S=1 由公式，得:[H σ]1=SK H HN 1lim 1σ （3-12）=160092.0⨯=552(MPa) [H σ]2=SK H HN 2lim 2σ=155096.0⨯=528( MPa) (2) 计算①试算小齿轮分度园直径d t 带入[H σ] 中较小的值,得：d t 121211])([))(1(32.2H d E t i Z i T K σφ±≥ （3-13） =2.32⨯22)528(52.15.0)8.189()152.1(80003.1⨯⨯⨯+⨯⨯=38.18(mm)②计算圆周速度v:v=10006011⨯n d t π=10006083318.38⨯⨯⨯π=1.665(m/s)③计算齿宽：b=t d d 1φ=0.5⨯38.18=19.09(mm)④计算齿宽与齿高之比 b/h 模数：m t =11Z d t=1.414(mm) 齿高：h=2.25m t =2.5⨯1.414=3.18(mm)h b =735.309.19≈6 ⑤计算载荷系数根据v=1.665m/s 7级精度 得动载系数K v =1.1 直齿轮 假设bF K tA 〈 100 N/mm 得K αH = K αF =1.2 由机械手册查得，使用系数K A =1由设计手册查得 7级精度小齿轮相对支承悬臂布置时：K βH =1.12+0.18⨯（1+0.72d φ）⨯2d φ+0.23⨯103-⨯b （3-14）=1.24由hb=5.1 ，K βH =1.24 得 K βF =1.28 故载荷系数：K=K A K αH K βH=1⨯1.1⨯1.2⨯1.24=1.6368⑥按实际的载荷系数校正所算得的分度园直径，得：d 1=d t13tK K =38.18⨯33.16368.1=41.23(mm) ⑦计算模数mm=11Z d =2723.41=1.527(mm) 3）第一对齿轮按齿根弯曲强度设计 弯曲强度的设计公式： m 311][2F d SaFa Z Y Y KT σφ≥ （3-15）(1) 确定公式内的各计算值①小齿轮的弯曲疲劳强度极限1FZ σ=500MPa,大齿轮的弯曲疲劳强度极限2FZ σ=380MPa②弯曲疲劳寿命系数 K 1FN =0.8 K 2FN =0.87 ③计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳完全系数.S=1.4[1F σ]=SK FZ FN 11σ=4.150086.0⨯=307.14(MPa) [2F σ]=SK FZ FN 22σ=4.138087.0⨯=236.14(MPa) ④计算载荷系数K=K A K V K αF K FR （3-16）=1⨯1.1⨯1.2⨯1.28=1.6896⑤查取齿形系数由机械设计手册查得 Y 1Fa =2.57 Y 2Fa =2.39 ⑥查取应力校正系数由机械设计手册查得 Y 1Sa =1.6 Y 2Sa =1.672 ⑦计算大，小齿轮的][F SaFa Y Y σ并加以比较 1][11F Fa Fa Y Y σ=14.3076.157.2⨯=0.01342][22F Sa Fa Y Y σ=14.23662.139.2⨯=0.0169大齿轮数值大 (2) 设计计算：m 311][2F d SaFa Z Y Y KT σφ≥=32)27(5.00169.080006896.12⨯⨯⨯⨯=1.078 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度多决定的承载能力，而齿面接触强度多决定的承载能力，仅与只论直径归类，可取由弯曲强度算得的模数1.078〈m m=1.25 故：齿轮强度适合。
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