CA6140车床进给系统的数控改造.

新乡学院2010届毕业论文 题 目：CA6140车床进给系统的数控改造姓 名： 张 涛 学 院： 机电工程学院 专 业： 机电一体化技术 班 级： 07机电（3）班 学 号： 2007144303004 指导教师： 徐秀芬 2010 年 05月 15 日目 录内容摘要1关键词1Abstract1Keywords11. 绪论22. CA6140车床进给运动数控改造的总体方案3 2.1 设计任务3 2.2 CA6140进给箱以及数控车床进给箱结构分析3 2.3 总体方案确定33. CA6140车床数控改造中机械改造44. CA6140数控改造的传动装置设计计算5 4.1 滚珠丝杠螺母副5 4.2 纵向进给系统设计计算6 4.3 滚珠丝杠螺母副的设计计算75. 步进电动机的选择12 5.1 步进电动机型号选择12 5.2 滚珠丝杠与电动机的连接126. 轴承的选择13设计小结13致谢13参考文献 14内容摘要：针对现有常规CA6140普遍车床的缺点提出数控改装系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的进给运动设计过程，较详尽地介绍了CA6140紧急系统的机械改造部分及数控系统部分的设计。经过对CA6140的进给系统进行改造，使CA6140放入工作精度和效率得到提高关键词： 数控机床 进给系统 数控改造Abstract：To remedy the defects of ordinary lather CA6140 a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machines usage, and to improve production rate.This paper describes the CNC lathe feed motion transformation of the design process, a more detailed description of the CA6140 transform part of the emergency system and the mechanical part of the design of NC system. After feeding on the CA6140 to reform the system so that the work CA6140 into the improved accuracy and efficiency.Keywords： CNC Feeding system NC Transformation1.绪论机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。 数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：1.适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。2.加工精度高；3.生产效率高； 4.减轻劳动强度，改善劳动条件;5.良好的经济效益；6.有利于生产管理的现代化。数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家1/10左右，差距太大，急待改造。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。2. CA6140车床进给运动数控改造的总体方案2.1 设计任务2.1.1 主要设计内容对CA6140车床进给运动进行数控改造。研究内容包括CA6140进给箱结构分析、数控车床进给箱结构分析、步进电机选择、滚珠丝杠螺母副的选型、纵向丝杠组装装配图的绘制、轴承的设计计算2.1.2 技术指标（1）主轴调速范围：02000r/min；（2）步进电动机开环控制。2.2 CA6140进给箱以及数控车床进给箱结构分析CA6140的进给箱主要有以下几部分组成：变换螺纹导程和进给量的变速机构，变换螺纹种类的移换机构，丝杠和光杠的转换机构以及操纵机构。由面板上的扳手手动控制丝杠和光杠调整横向纵向进给量，这种方式效率低，传动精度也不高。而数控车床的进给运动采用无极调速的伺服驱动方式，伺服电机的动力和运动只需经过传动系统传给工作台等运动执行部件，部分机床的传动系统去掉了降速齿轮副，直接将伺服电机与滚珠丝杠相连接，将光杠改为滚珠丝杠。数控车床的进给运动是数字控制的直接对象，所以传动结构与传动零件之间摩擦力更小，传动精度与刚度更高。2.3总体设计方案确定本设计对CA6140进行进给系统的数控改造，因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点，所以系统采用开环控制系统。同时为了提高机床的精度和效率，用滚珠丝杠代替原机床的光杠，并采用单独的电机来控制。由于时间原因，本文仅涉及纵向进给系统的改造。3 . CA6140车床数控改造中机械改造拆除原机床的进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等、装上步进电机、齿轮减速器和滚珠丝杠螺母副。齿轮间隙采用双薄片调隙方式。利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杆仍安置在原来的位置，两端仍采用原固定方式。这样可减少改装工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，切外径比原来的大，从而使纵向进给整体刚度增大。纵向进给机构都采用了一级减速齿轮。双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙。因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载大时，弹簧弹力显小，起不到消除间隙之目的，当负载小时，弹簧弹力又显大，则会加速齿轮的磨损。因此，采用人工调整、螺钉紧固的方法消除间隙。在溜板箱上安装纵向快速进给和急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到意外情况时的急停处理需要。4.数控改造CA6140传动装置设计计算数控机床的传动装置是指将电动机的选转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链及其附属机构。包括齿轮减速器、丝杠螺母副、导轨、工作台等。在数控机床数字调节技术领域，传动装置是伺服系统中的一个重要环节，因此，数控机床的传动装置的设计要求除了具有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。为确保数控机床进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械传动装置时，通常提出了无间隙、低摩擦、低惯量、高强度、高谐振频率的要求。为达到这些要求，采取主要措施如下：（1）尽量采用低摩擦的传动，如采用静压导轨，滚动导轨和滚动丝杠等，以减少摩擦力。（2）选用最佳降速比，以达到提高机床分辨率，是工作台尽可能大地加速，以达到跟踪指令，系统折算到驱动轴上的转动惯量尽量小的要求。（3）用缩短传动链以及预紧的办法提高传动系统的刚度。如采用大扭矩宽调速的直流电机与丝杠直接联接，应用预加负载的滚动导轨和滚动丝杠副，丝杠支承设计成两段轴向固定的，并可用预拉伸的结构等办法来提高传动系统的刚度（4）尽量消除传动间隙，减少反响死区误差。如采用消除间隙的联轴器，采用有消除间隙措施的传动副等。4.1滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。滚动丝杠螺母副可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转变为旋转运动。因此，滚珠丝杠螺母副既是传动元件，也是直线运动与旋转运动相互转换的元件。滚珠丝杠螺母副的特点是：（1）摩擦损失小、传动效率高，高达0.920.96（2）螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，传动精度高、刚性好。（3）摩擦阻力小，且几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，不易产生低速爬行现象，保证了运动的平稳性。（4）磨损小，寿命长，精度保持性好。（5）不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，也能将直线运动转换为旋转运动，可满足一些特殊要求的传动场合，但当立式使用时，应增加制动装置。（6）工艺复杂，成本高。由于滚珠丝杠螺母副的传动效率高，精度高切运动平稳，所以用滚珠丝杠螺母副代替原有光杠。4.2纵向进给系统的设计计算电机初步估算转速为1500r/min切削力的计算最大且小功率 P=P式中P主电机功率，CA6140的功率P=7.5kW主传动系统的效率，一般为0.70.85，取=0.8所以P=7.5*0.8=6kW机床的切削功率应该为可承受的最大切削功率，以满足在遇到最大切削力和最大切削速度的需要车床的道具为YT5，材料为硬质合金，切削材料Q235为低碳钢，查机械加工工艺手册，可查得最大切削速度v=150m/min P= 已计算得P=6kW 所以，主切削力F=2400N在车削外圆时，一般F=（01.0.5 5）F，F=（0.150.65）F取F=0.5 F=1200N，F=0.6F=1440NF纵向切削分力F横向切削分力4.3 滚珠丝杠螺母副的设计计算滚珠丝杠的选型设计，一般必需已知下列条件：丝杠最大轴向载荷F，使用寿命T，丝杠的当量转速n，丝杠的运转状态4.3.1轴向切削力计算F=K F+f（F+G）G机床移动部件重量，W=800f导轨上的摩擦系数，查机械设计手册，f=0.150.18，取f=0.16K考虑颠覆力矩影响的实验系数，K=1.15因此F=1.15*1200+0.16*（2400+800）=1892N4.3.2滚珠丝杠的当量转速计算步进电机与滚珠丝杠螺母副齿轮之间的传动比i=0.8纵向进给脉冲当量，取=0.01步进电动机矩角，=0.75L丝杠的基本导程， L=6mm电机轴与滚珠丝杠之间是降速传动，所以滚珠丝杠的最大转速n=n*i=1200r/min由机械设计手册可知，当量转速n在最大转速n和最小转速n之间，取最小转速n=1r/min则当量转速n=600.5r/min，取n=600r/min4.3.3滚珠丝杠的寿命计算L=540*10 r4.3.4最大动负载CC=运动系数，查机械设计手册，=1.2精度系数，查机械设计手册，=1因此，C=18488.4N根据丝杠螺母副选择原则，按表“滚珠丝杠副不同循环方式的比较”及表“滚珠丝杠副不同预紧类型的比较”选定滚珠螺母形式，按估算的P、C从“内循环滚珠丝杠副系列性能参数” 、“外循环滚珠丝杠副系列性能参数” 、“大导程滚珠丝杠副系列性能参数” 、“微型滚珠丝杠副系列性能参数”中选出合适的规格代号及有关安装连接尺寸。表 滚珠丝杠副不同循环方式的比较循环方式内循环外循环浮动式固定式插管式螺旋槽式代号FGCL结构特点滚珠循环链短，反向灵活，结构紧凑，刚性好，使用可靠，工作寿命长，螺母配合外径较小，扁圆型反向器螺母轴向尺寸最短滚珠循环链较长，但轴向排列紧密，轴向尺寸小，螺母配合外径较大。刚性较差，但滚珠流畅性好，灵活、轻便摩擦力矩小小较小较大工艺性较差差好一般制造成本最高较高较低较低使用场合各种高灵敏、高精度、高刚度的进给定位系统重型载荷。高速运动及精密定位系统在大导程、多头螺纹中显示其独特优点适用于一般工程机械，不适宜高刚度、高速运动的传动根据此表，从工艺性已经经济型和适用场合来分析，选择外循环插管式滚珠丝杠副，代号C表滚珠丝杠副不同预紧类型的比较预紧类型双螺母齿差预紧双螺母垫片预紧双螺母螺纹预紧单螺母变位导程预紧单螺母增大钢球预紧代号CDLBZ滚珠螺母受力性质拉伸拉伸压缩拉伸(外)压缩(内)拉伸(+)压缩(-)_结构特点可实现2um以下的精密微调，预紧可靠，调整方便，结构复杂，轴向尺寸偏差大，工艺复杂结构简单，轴向性好，预紧可靠，不可调整，轴向尺寸适中工艺性好使用中可随时调节预紧力，但不能实现定量调整，螺母轴向尺寸大结构紧凑、简单，完全避免了双螺母结构中形位误差的干扰，技术性强，不可调整结构简单紧凑，但不适宜预紧力过大的场合，不可调整，轴向尺寸小适用场合用于要求准确预加载荷的精密定位系统用于高刚度、重载荷的传动，目前应用最广泛用于不需要准确预加载荷且用户自调的场合用于中等载荷以下，且对预加载荷有要求的精密定位、传动系统用于中等载荷以下轴向尺寸受限制的场合备注“内预紧”结构形式。方便用户使用，一般不提倡用户自调，而由生产厂根据用户要求用仪器检测来调整最难以实现“内预紧”，使用不准确，不广泛最典型的“内预紧”结构，使用广泛最典型的“内预紧”结构，使用广泛选择双螺母垫片预紧，代号D根据最大动载荷C和预设导程，查表常用外循环滚动螺旋副尺寸系列及其承载能力，取规格代号为4006，因次，滚珠丝杠螺母副的型号为CD4006-3.5-3，既外循环插管式双螺母垫片预紧滚珠丝杠螺母副。额定动载荷19050，强度够用，精度等级为三级，公称直径d=40mm，导程P=6mm，钢球直径D=3.969mm4.3.5刚度计算滚珠丝杠受负载引起的导程变化量L=P滚珠丝杠的基本导程，P=6mm=0.6cmF工作负载E弹性模量，E=20.610A滚珠丝杠截面积A=（） 其中d=d+2e-2Rd滚珠丝杠公称直径e滚珠丝杠滚道圆弧偏心距R滚道圆弧半径e=（R-）cos，R=D滚珠直径，取D=4mm接触角，查机械设计手册，=45因此，R=2.08mme=（R-）cos=（20.8-2）cos45=0.057mmd=d+2e-2R=40+2*0.057-2*2.08=35.95mm=3.595cm因此，面积A=（）=（）*3.14=10.15 cm则L=5.43cm=滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L很小，可以忽略既总L=L，所以导程总变形量=L=5.4310=9.05/m在机械设计手册中可知3级精度的滚珠丝杠允许的螺距误差为19/m，故刚度够用。滚珠丝杠螺母副的两端采用固定支承，所以稳定性没有问题，无需校核5、伺服电动机的选择由于开环控制的数控机床容易掌握，调试方便，维修简便，国内的大多经济型数控系统多采用这种方式，因此从经济性和实用性方面考虑，本次数控改造依然使用开环控制系统。5.1伺服电机的型号选择伺服电机功率确定N=NS伺服电机功率Q进给力抗力，据资料显示改造后的简式数控车床最大主切削力F=2750N，故Q=0.5F=1375NV车床进给速度，V=0.4m/minY进给传动系统的总机械效率，一般为0.150.2，取Y=0.2N=0.46kW考虑进给系统的过载现象，选择的电机功率应该大于计算功率，参考电机手册，选择型号为110SNMA6I型的永磁无刷伺服电机型号额定功率kW额定转矩Nm额定电流A转子惯量Kgm110SNMA6I1.256650.0.78*105.2 滚珠丝杠与电动机的连接电机通过齿轮副与步进电动机连接，为了方便和实用，步进电机安装子纵向滚珠丝杠的左端6、轴承的选择因丝杠主要承受轴向力，且传动精度要求较高。根据机械设计手册查得：推力球轴承轴向力承受能力较好，所以选用推力球轴承。推力球轴承的基本代号为51100，根据轴承代号原理，以及轴承安装配合为过盈配合，选择尺寸代号为7，所以轴承型号为51107，几何参数d=35mm，滚动体直径d=6.35mm，滚动体数量Z=18,|滚珠丝杠副及轴承均进行预紧。设计小结经过这么久的忙碌呢，终于完成了本次设计课题的各项任务。经过此次毕业设计，增强了我的自学能力和手机实用资料的能力，同时全面系统的巩固和总结大学三年来所学习的专业知识。通过此次毕业设计，使我把大学三年所学的知识贯穿到了一起，所学的知识得到了系统性的整合，也是我所学的专业知识首次得到综合性的应用。加深了对所学专业知识的理解，同时还接触了一些在原来知识基础书上更为深层的知识。当然，也是我体味到设计工作是一项艰苦任务，必须具备艰苦耐劳的精神。总之，这次毕业设计使我受益匪浅，为我的将来工作大号了良好的基础。同时由于本人知识面较窄，加上时间比较仓促缺乏实践经验，设计中难免出现错误和不足之处，还望各位老师和同学批评指正，不胜感激致谢：本文是在指导老师的精心指导和大力支持下完成的。指导老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。同时由于本人知识面较窄，很多资料和数据都是在老师的帮助下才找到，对我的设计起到了很大的帮助。同时也感谢同学们对我的无私帮助，帮我查资料找书，使我得以顺利完成此文。参考文献1杨后川：数控技术及应用，北京大学出版社2007年版2贾亚洲：金属切削机床概论，机械工业出版社1996年版3刘建华、杜鑫：机械设计课程设计指导，化学工业出版社2008年版4机械设计手册2008新编软件版5机械加工工艺手册软件版6余英良：机床数控改造设计与实例，机械工业出版社17