C6140车床数控改造设计论文

哈尔滨理工大学学士学位论文C6140数控机床改造摘 要由于目前国内的数控机床数量需求量大，达到300万台之巨，要进行全部翻新在实践，物质尚不具有足够的条件，为了达到的条件，为达到较高的精度，实现较好的经济性，对普通车床实行数控开环改造。了解数控机床的概念，所谓数字控制是按照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多,可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需要很多资金。为了解决这个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。本次设计主要为纵向进给系统的设计，其中包括纵向进给系统改造方案的确定，各零部件的设计。关键词 数控；车床；改造；- I -C6140 ordinary lathe of numerical control technology transformation AbstractDue to the current number of domestic CNC machine tool demand to reach300 million units of the giant,to be totally refurbished at the time, the material is not yet sufficient condition,in order to achieve the conditions to achieve high accuracy to achieve better economic nature of the open-loop CNC lathe to implement reform.Understand the concept of CNC machine tools,in accordance with the so-called digital control machine tools(tool)motion information in the order specified by the program automatically performs the operation.CNC machine tool sand CNC machine tools is to work under the supervision of the computer.It has many advantages,can be a fixture on the same machine can perform multiple operations,significantly improve productivity, etc., but its expensive.Since China is now mostly used lathe machine,low degree of automation, to update existing machines need a lot of money.To solve this problem, but also to adapt to many varieties,small batch machining parts we choose economical CNC machine tools transformation.This design is mainly vertical feed system design, including vertical feed system transformation program to determine various parts of the design.Keywords NC; lathe; transform; - 29 -目录摘要IAbstractII第1章 绪 论11.1 课题背景11.1.1 国内数控机床现状11.1.2 国内数控机床的特点11.2 数控机床发展概况21.2.1 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展21.2.2 向高速化和高精度化发展21.2.3 向智能化方向发展21.3 机床数控化改造的必要性21.3.1 微观看改造的必要性21.3.2 宏观看改造的必要性31.4 数控化改造的市场空间31.4.1 国内的市场31.4.2 进口设备和生产线的数控化改造市场41.5 机床改造的效益分析4第2章 普通车床的数控改造和可行性论证62.1 车床的数控改造62.1.1 设计内容及任务62.1.2 数控机床工作原理及组成62.2 可行性论证7第3章 总体方案的拟定和论证83.1 总体方案的拟定83.2 控制方式类型选择93.3 伺服进给机构的改造103.3.1 纵向进给机构的改造103.3.2 横向进给机构的改造103.3.3 步进电动机的选用103.3.4 丝杠螺母副103.3.5 机床导轨改造103.4 总体设计方案的确定11第4章 伺服进给机构设计124.1 伺服系统的组成原理124.2 伺服进给机构的设计内容和设计计算124.2.1 纵向进给系统的设计计算134.2.2 横向进给系统的设计计算174.3 步进电机的选择204.3.1 C6140纵向进给系统步进电机确定204.3.2 C6140横向进给系统步进电机的确定204.4 伺服系统说明214.4.1 机床进给系统的结构及工作原理21第5章 自动转位刀架225.1 数控车床刀架的基本要求225.2 数控车床刀架结构225.3 工作原理235.4 刀架的安装24第6章 编码盘的安装部分256.1 光电编码器工作原理256.2 编码盘的安装25结论27致谢28参考文献29附录30第1章 绪 论1.1 课题背景1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。1.1.1 国内数控机床现状近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。1.1.2 国内数控机床的特点1 新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。2 数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床行业产值数控化率 从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。3 控机床发展的关键配套产品有了突破。1.2 数控机床发展概况1.2.1 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。1.2.2 向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。1.2.3 向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。1 应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。2 引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。3 引入故障诊断专家系统智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。1.3 机床数控化改造的必要性1.3.1 微观看改造的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。1 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。2 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了柔性自动化。3 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易不再需要修配。4 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。5 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。6 由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），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等等。1.3.2 宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。1.4 数控化改造的市场空间机床的数控制化改造是一个方兴未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如：在美国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业所以不难看出：1.4.1 国内的市场我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。1.4.2 进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从19791988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。1.5 机床改造的效益分析提高机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的途径，采用第二中方法有以下的优点：1 减少了投资和交货的期限，同购置新的数控机床相比，一般可以节省60%到80%的费用，改造的费用大大减低。2 机械的稳定性可靠机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。3 熟悉了解设备结构性能，便于操作维修购买的新设备，事先很难前面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。4 可以充分利用现有的条件，可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以在利用。5 可更好的因地制宜合理筛选功能，购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造的方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床。6 可及时采用最新技术，充分利用社会资源，由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造 ，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还可以使得刮研极容易，等等例子说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机场改造成当今水平的机床。第2章 普通车床的数控改造和可行性论证2.1 车床的数控改造2.1.1 设计内容及任务普通车床（）的数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（伺服进给机构设计、自动转位刀架的选择或设计、编码盘安装部分的结构设计）、主运动自动变速原理、部分系统控制软件设计。本设计任务是对卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲，横向最小运动单位0.005/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。2.1.2 数控机床工作原理及组成1 数控机床工作原理：数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。2 数控机床的组成：数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图2-1图2-1数控机床的组成图2.2 可行性论证根据自动化制造系统，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计，故在此，设计者仅对改造的投资概算作一简要的可行性论证。本改造设计是对普通车床C1640进行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是广州数控设备厂生产的GSK980T型数控系统，加上两台伺服电机，费用约为4万余元；两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副、贴塑导轨等零件，费用约为1万余元，总的改造费用约为56万元。旧车床估计截至在67万元。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过13万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。第3章 总体方案的拟定和论证3.1 总体方案的拟定C6140车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制的对象。察看C616车床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体改造方案。1 主传动系统的设计改造对普通车床进行数控改造时，一般可保留原有的主传动系统和变速操作机构，以减少改造量。但本设计中为了提高车床的自动化程度，以便于在加工过程中实现自动变换切削速度，对其作了相应的简化改造。采用交流调速电机做车床主轴电机以取代原来的主轴电机，以实现无级调速；并简化原来传动系统，以达到多档调速范围的确定。2 数控系统的选择设计计算机数控装置（CNC）即控制装置是数控机床的中心环节。它通过对加工程序的运行处理，发出控制信号，实现对加工过程的自动控制。在本设计中，由于时间较短、设计人员少，因而我们决定引进江苏东方数控新技术公司生产的NIM-9702数控系统。3 自动转为到家选择设计数控机床的刀架是机床的重要组成部分。其结构直接影响车床的切削性能和效率。卧式车床数控改造应将原来机床的普通手动转位刀架替换成自动换位刀架，本设计决定采用常州武进数控设备厂生产的LD4四工位螺旋转位刀架。4 驱动系统的设计改造由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低成本。总体改造如下图3-1所示：图3-1 总体改造的示意图3.2 控制方式类型选择数控机床的伺服进给系统有开环控制、闭环控制和半闭环控制之分。开环系统：结构简单、工作可靠、造价低廉，但影响定位精度的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在，故精度和快速性较差。开环控制的定位精度一般为0.010.02，不能满足横向最小运动单位0.005/脉冲的要求。闭环系统：控制精度高、快速性好，但对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环控制的定位精度一般为0.0010.003，本设计属经济型数控改造，无须达到此精度。半闭环系统：结构简单、调整方便，在中小型性能要求较高的数控机床中应用较多，故本设计采用半闭环控制。半闭环控制系统组成原理图如图3-2图3-2半闭环控制原理图3.3 伺服进给机构的改造 3.3.1 纵向进给机构的改造拆除原来机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，装上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在丝杠的右端，采用滚珠丝杠可以提高系统的精度和纵向进给的整体刚度。3.3.2 横向进给机构的改造拆除原来横向进给的丝杠，换上滚珠丝杠；保留原来的横向手柄机构，横向步进电机和减速箱安装在机床后侧。3.3.3 步进电动机的选用选用步进电动机，通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小。但是，增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本相矛盾。因此在实际选用步进电动机时，要考虑各方面因素。首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。为兼顾精度与速度的要求，应在满足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后，以此为依据选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。3.3.4 丝杠螺母副卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠，即丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。由于，滑动丝杠螺母副的摩擦大、转动效率低。在精度要求不高的情况下，可以仍用原机床的滑动丝杠。若要求机床精度和被加工精度较高的情况下，应将原机床的滑动丝杠螺母副改换成滚珠丝杠螺母副。考虑本设计的设计要求，选用滚珠丝杠螺母副代替原机床的滑动丝杠螺母副。3.3.5 机床导轨改造卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床的导轨面运动的。导轨的作用就是支承和导向，即支承运动部件，并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工精度要求、支承能力和使用性能。数控改造时根据原机床导轨的磨损程度和加工精度要求，来确定导轨的结构形式。一般是将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。贴塑导轨摩擦系数小，且动、静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、抗咬伤能力强、加工性和化学性能稳定，具有良好的自润滑性和抗振性；工艺简单，成本低。3.4 总体设计方案的确定经总体设计方案的论证后，确定的C6140的车床经济型数控改造的总体方案：C6140车床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机；车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动，经步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需安装主轴脉冲发生器。第4章 伺服进给机构设计伺服进给机构的设计是普通车床经济型数控改造的主要部分，如果说系统是数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么，伺服驱动系统便是数控机床的“四肢”，是执行机构，它忠实而准确的执行由系统发来的运动命令。伺服控制系统是联接数控系统与机床的枢纽，其性能是影响数控机床的精度、稳定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。4.1 伺服系统的组成原理机床进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。机床进给机械传动系统通常由减速齿轮、滚珠丝杠、机床导轨和工作台拖板等组成。对于伺服驱动控制系统，按其反馈信号的有无，分为开环和闭环两种控制方式。对于开环伺服系统只能由步进电机驱动，它由步进电机驱动电源和电动机组成。闭环伺服系统则分为直流电动机和交流电动机两种驱动方式，并且是双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器以及功率驱动放大器等部分组成。位置环是由装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。根据其位置检测信号所取部位不同，它又分为半闭环和全闭环两种。半闭环采用转角位置检测装置，安装于滚珠丝杠端部，或直接与伺服电动机转子的后端相连（与伺服电动机成一体）；对于全闭环系统需要采用直线位置检测装置，安装于机床导轨与工作台拖板之间。通常伺服驱动控制单元与电动机由一个生产厂家配套提供（甚至包括位置检测装置）。4.2 伺服进给机构的设计内容和设计计算伺服进给机构的设计内容包括：纵向进给系统的设计与计算、横行进给系统的设计与计算、步进电机的选择三大部分，该部分设计的总体方案示意图如图4-1所示。要使这三大部分与数控系统的配合达到好的效果，伺服进给机构的改造设计部分除了主要的三大部分内容外，还包括与步进电动机相关的驱动电源、功率放大电路、辅助电路；与滚珠丝杠副相关的机床导轨等内容的设计选择。图4-1 伺服进给机构设计总体方案4.2.1 纵向进给系统的设计计算普通车床的经济型数控改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端，从改造方便、实用方面来考虑，一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端，即尾架部位。已知的条件：工作台数量： （根据图纸错略计算）时间常数： 滚珠丝杠基本导程： 行程： 脉冲当量： 步距角： 最大进给速度： 1 切削力计算由实用机床设计手册可知：切削功率： 电机功率 主传动链的总效率 取 进给系统的功率系数，取则： 又因为： 则： 切削线速度，取所以： 由金属切学原理可知：主切削力： 查表得： 计算如下：表4-1 切削参数222333 0.20.30.40.20.30.4110314951855165422422782由表4-1得：当时，切削深度，走刀量以此参数作为下面计算的依据，从实用机床设计手册中可知，在一般外圆切削时： 2 滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。综合车床导轨丝杠的轴向力： 由于上选用的是矩形导轨，根据机床设计手册查出，, 则： （1） 强度计算：寿命值： 所以： 取工件直径：查表得： （自动控制机床即及机床通常的取值）所以： 最大动载荷： 表4-2运转系数值表运转状态运转系数无冲击的圆滑运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击的运转1.52.5 表4-3硬度系数表硬度（HRC）6057.55552.55047.54542.5403025硬度系数，1.01.11.21.42.02.53.34.55.01015 查表4-2和表4-3得：运转系数：硬度系数： 根据最大动载荷的值和原机床参数，选择滚珠丝杠的型号,基本参数如表4-5即内循环浮动反向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，公称直径为，导程为，滚珠列数为列，精度等级为级（一般数控机床精度等级为级），额定动载荷为。公称直径基本导程钢球直径丝杠大径轴端直径额定载荷（）刚度动载荷静载荷406438.93526842220螺 母 安 装 连 接 尺 寸DD3BhMTEL1L260947515915948M63668128表4-5型滚珠丝杠具体参数因为，所以强度不是问题。（2） 效率计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为： 摩擦角： 螺旋升角： （3） 刚度验算：滚珠丝杠受工作负载引起导成的变化量： 滚珠丝杠截面积： 则： 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可以忽略，即： 所以导程变形总误差为： 即 查表知级精度丝杠允许的螺距误差为，故刚度满足要求。（4） 稳定性验算根据公式： (为丝杆长度) 故稳定性也没问题。4.2.2 横向进给系统的设计计算普通车床经济型数控改造的横向进给系统的设计相对比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机车大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。由于横向进给系统的设计计算与纵向进给系统类似，所用到的公式不详细说明，只计算结果。已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算）：时间常数： 滚珠丝杠基本导程： 行程： 脉冲当量： 步距角： 快速仅给速度： 1 切削力计算横向进给量为纵向的1/21/3，取1/2，切削力约为纵向的1/2： 在切断工件时： 2 滚珠丝杠设计计算（1） 强度计算：对于矩形导轨： 取 ，则： 取工件直径： 走刀量： 寿命值： 最大动负荷： 根据最大动负荷值，选择滚珠丝杠的型号为左，其直径为，导程为,滚珠列数为5列，精度为B级，额定动载荷是13000N，所以其强度符合要求。型滚珠丝杠具体参数如表4-6：表4-6 FFZD3204型滚珠丝杠参数公称直径基本导程钢球直 径丝杠大径轴 端 直 径额 定 载 荷（）刚度动载荷 静 载 荷 324331.22813431780螺母安装连接尺寸507663115.8106386344868（2） 效率计算： 摩擦角： = 螺旋升角： = 则传动效率： =0.956（3） 刚度计算： 滚珠丝杠受工作负载引起导程的变化量： = （412） 式中： =6=0.6 =20.6106滚珠丝杠截面积： F=3.14=12.56102（）则： =10.1510-8（）滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可以忽略，即：=所以导程变形总误差为： = （413）即 =16.92（）查表知级精度丝杠允许的螺距误差（1长）为25，故刚度足够。（4）稳定性验算 根据公式: FK=fk2EI/KL2Fmax （414） 式中: fk=2(双推简支); =20.610Pa; I=12.56 (cm4)K=4; L=Ls=35d1=354=140 (cm) (Ls为丝杆长度)FK=23.1422.0610712.56/4140288577 Fmax=6286.5 故稳定性也没有问题.4.3 步进电机的选择4.3.1 C6140纵向进给系统步进电机确定启动力矩： （415） 所以 =1222.45（）为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查步进电机相数、拍数、启动力矩表：查表4-8知=0.866，所以，步进电机最大静转矩为： （416）表4-8步进电机相数、拍数、启动力矩表运行方式相数33445566拍数36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866 即 =1411.61（）步进电机最高工作频率： = （417）即 =3333.33（）综合考虑，查表选用型直流步进电机，能满足使用要求。4.3.2 C6140横向进给系统步进电机的确定 =76.58（）电机仍选用三相六拍工作方式，查表知=0.866，所以，步进电机最大静转矩为： =87.39）步进电机最高工作频率： =3333.33（）为了便于购买和设计,选用型直流步进电机，能满足使用要求。4.4 伺服系统说明4.4.1 机床进给系统的结构及工作原理1 进给系统结构说明拆除原机床的机械传动机构，用步进电机经齿轮减速机构驱动丝杠，带动刀沿轴、轴移动（如图4-2）。采用减速机构，可达到所需要的脉冲当量，还可满足结构要求和增大转矩。检测元件装在齿轮减速器上，通过检测齿轮转动方向和齿数，输入到数控单元，通过其运算得出进给的方向和距离，达到半闭环控制的目的。 图4-2 伺服进给系统改造示意图2 数控进给系统工作原理驱动器的电源电压是专用变压器把380变成80，接到驱动器、电源输入端。轴和轴步进电机皆为三相六拍，分别受轴和轴驱动器输出信号控制，并把脉冲信号转换为位移角，角位移和角速度分别与指令脉冲的数量和频率成正比，旋转方向决定于脉冲电流的通电顺序。根据加工程序要求，数控单元发出指令信号，驱动器接到指令信号，转换成脉冲信号传递给步进电机。装在减速器上的角位移传感器将减速齿轮转动方向和转过的个数反馈给数控单元，该反馈信号和步进电机的通电相序，即可算出工作台运动方向、速度及位移量，并和加工程序相比较，以便修改数控单元的输出指令信号，实现了半闭环控制。第5章 自动转位刀架 卧式车床数控改造应将原机床的普通手动转位刀架替换成自动转位刀架。自动转位刀架由数控系统控制，效率高，工艺性能可靠。根据所加工零件的工艺要求及机床控制方式确定自动刀架的刀位数和刀架类型。5.1 数控车床刀架的基本要求数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平，所以有如下要求：1 转位准确可靠，工作平稳安全；2 按最短线路就近选择，转位时间短；3 重复定位精度高；4 防水、防屑，密封性能优良；5 夹紧刚性高，适宜重负荷切削。5.2 数控车床刀架结构 自动转位刀架尺寸简图见图5-1 图5-1 自动转位刀架大致尺寸图本设计采用的是常州宏达机床数控设备厂立式转位刀架，其结构表详细参数见表5-1表5-1 参数型号19081401922020152152192121681337524216223905.3 工作原理 自动转位刀架工作原理如图5-2所示，微电机经弹簧安全离合器至涡轮副带动螺母旋转，螺母抬起刀架使定位用的端齿盘的上盘与下盘分离，随即带动刀架旋转到位。然后发信号使电机反转锁紧，完成刀架换位后，再进行切削加工。其具体过程是：当微机发出换刀信号后，刀架控制器中继电器动作，电动机正转驱动涡轮蜗杆减速机构，螺杆升降机构使上刀架上升, 当上刀架上升到一定高度时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转。刀架上端的发信盘中对应每个刀位都安装一个霍尔元件，当( 1-电机；2-固定安装丝杠；3-安全离合器；4-刀架)上刀体旋转到某一刀位时，该刀架上霍尔元件输出高电平。在上刀体旋转过程中，发信盘不断的向数控系统反馈刀位信号。数控系统将反馈刀位信号与指令刀位信号相比较，当两信号相同时，说明上刀体已旋转到所选刀位。此时，数控系统立即控制刀架控制继电器使电动机反转，活动销反靠在反靠盘上初定位。在活动销反靠作用下，螺杆带动上刀体下降，直至齿牙盘啮合，完成精定位，并通过涡轮蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。向数控系统发出转位完成信号，切断电源，电机停转，完成选刀过程。图5-2 自动转位刀架工作原理图5.4 刀架的安装 图5-3 刀架的安装尺寸如图5-3所示，该刀架安装时，需先拆除原机床上的小拖板和原刀架，然后把电动刀架置于中拖板上。此时，刀架高度应使车刀前刀面基本通过车床主轴轴心线，否则要在刀架下面加垫板，调整其高度。然后，卸掉刀架电动机风扇罩壳，逆时针方向转动电动机，使上刀体相当于下刀体转动450左右。打装螺孔，再用内六角螺栓将刀架与中拖板固定，固定时应注意，将刀架的两侧面分别与车床纵向和横向的进给方向平行。电动刀架与系统的连线应如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨下方拉出一铁丝滑线，走线到系统。其好处在于:避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、切削液以及其它杂物磕碰电动刀架连线。第6章 编码盘的安装部分我们知道在经济型数控车床上加工螺纹或丝杠时，须培植主轴脉冲发生器（即编码盘）作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化信号，输送到计算机。6.1 光电编码器工作原理脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，它把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移传感器。编码盘按一定的编码形式如二进制编码，二-十进制编码等，将一个圆盘分成若干等 份，并利用电子、光电或电磁器件， 把代表被 测位移的个等份上的数码转换成便于应用的二进制或其它表达方式。脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。就精度与可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种。数控机床上只用光电式脉冲编码器。由霍尔效应构成的电磁感应式脉冲发生器也有作速度检测元件用。(如图61) 图6-1 脉冲发生器6.2 编码盘的安装编码盘的安装一般有两种方式，即同轴安装和异轴安装。同轴安装的结构简单，联接方便，但安装后不能加工穿出主轴孔的较长的工件；而异轴安装无此缺陷。考虑到这一点，本设计为使改造设计的车床具有较强的通用性，决定采用异轴安装的方式来安装编码盘。如图6-2中，编码盘通过传动比为1：1的同步齿形带与主轴联系起来。工作时，编码器与主轴同步旋转，数控装置控制进给步进电机准确地配合主轴的旋转而产生进给运动。保证主轴每转一转， 螺纹车刀移动一个螺纹导程，同时还保证每次走刀都在工作的同一点切入，而不乱扣。图6-2 增量式编码盘安装示意图 千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。结 论基于对C6140普通车床进行经济型数控改造设计过程中，我认为普通机床的数控改造具有很多的优点、必要性及其良好的发展趋势。本文经过对普通车床数控化改造经济性评价详细论证，确定普通车床数控化改造方案；对进给系统的滚珠丝杠型号选择与装配设计，支承方式的设计与轴承型号选择，步进电机选择等进行了详细研究；绘出相应的零件图和装备图；给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。改造后的车床，可手 动、机动操作，操作简单，使用方便，价格低廉 ，其性能价格比适中；而且还能解决复杂零件的加工精度控制问题，节约大量工装费用，减轻工人的劳动强度，提高工人素质。致 谢在我的本论文完成之际，特向在毕业设计中始终给予我辛勤指导的张宝海老师表示忠心的感谢。张宝海老师在我整个毕业设计过程中，给予我悉心的指导，在学习中给了我极大的帮助和教诲。设计中的每一点进步都凝聚着老师的心血和汗水。张宝海老师严谨的治学作风、孜孜以求的学习精神和亲切和蔼的待人态度 ，给我留下了极为深刻的印象。张宝海老师渊博的知识、敏锐的思维、民主而严谨的作风使学生受益匪浅，并终生难忘。在同张宝海老师接触的过程中，不仅学会如何运用专业知识解决工程问题，同时学会了如何处理生活中的实际问题。并弥补了我知识和经验的不足，使得设计得以顺利完成，在此向张宝海老师表示诚挚的谢意。同时感谢四年来教过我的各位老师，是你们让我从一名高中生逐步成长为适合社会需要的人，是你们教会了我要敢于面对困难，迎难而上。当然，我的一些同学给予了热心的帮助，给我提出了许多宝贵建议，借此我也向他们表示衷心的感谢。也感谢我的父母，是你们给我提供了这个机会，是你们为我创造了这个条件。书山有路勤为径，学海无涯苦作舟，本人愿以此为勉。参 考 文 献1 张新义主编.经济型数控机床系统设计.机械工业出版社,1998:1201252 余英良主编.机床数控改造设计与实例.机械工业出版社,1994:40473 孙桓等主编.机械原理，高等教育出版社，19954 王贵明主编.数控实用技术，机械工业出版社，2001：12155 张建纲、胡大锋主编.数控技术.华中科技大学出版社，2000：15226 张建明主编.机电一体华系统控制高等教育出版社，2001:135140 7 邓星钟主编.机电传动控制华中科技大学出版社，2001:7780 8 王爱玲主编现代数控机床结构与设计兵器工业出版，1997:223280 9 卜云峰主编机械工业及自动化简明设计手册上下册机械工业出版社，1999:200247 10 李洪主编实用机床设计手册辽宁科学技术出版社，1999:155173 11 陶晓杰主编. 伺服电机用于车床进给系统.制造业自动化，2004:2015812 机床设计手册编写组. 机床设计手册（第三册）. 机械工业出版社 ，1986:659513 English for Numerical Control Technology.高等教育出版社，200914 John L.Feirer.Machine Tool Metalworking.1973