机械毕业设计论文—普通车床的数控化改造.doc

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毕 业 设 计 说 明 书

题目：普通车床的数控化改造

专 业：机械制造及其自动化
学 号：
班 级：
姓 名：

普通车床的数控化改造

目 录
一、问题的提出……………………………………………………4
二、机床数控改造的意义…………………………………………4
2.1 节省资金…………………………………………………4
2.2 性能稳定可靠……………………………………………4
2.3 提高生产效率……………………………………………4
三、设计任务与总体方案的确定…………………………………5
3.1、改造方案的确定…………………………………………5
3.2、车床的改造确定的总体改造方案………………………5
3.3、机械部分改造的设计……………………………………6
3.4、纵向进给系统的设计计算………………………………8
3.5、横向进给系统的设计计算………………………………13
四、步进电动机选择………………………………………………19
五、总结……………………………………………………………20
六、致谢词…………………………………………………………21
七、参考文献………………………………………………………22

摘 要

本设计说明书包括：概论、总体设计方案的拟定和验证、主传动部分的改造设计、伺服进给系统的改造设计、自动转位刀架的选择设计。改造后的机车，主运动实现自动变速，纵向、横向进给系统进行数控控制，并要求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，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹。

关键字：
数控改造  进给系统  滚珠丝杠 

一、问题的提出

数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。

二、改造的意义
2.1节省资金
机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。
2.2 性能稳定可靠

因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。

2.3提高生产效率

机床经改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。

三、设计任务与总体方案确定
3.1改造方案的确定
（1） 设计任务书
C616普通车床数控化改造，利用微机对纵向、横向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005/脉冲，驱动元件采用步进电动机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用四工位电动自动转位刀架。
C616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。由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。
3.2车床的改造确定的总体改造方案：

①对机床的改造部位是：拆掉手动刀架和小拖板装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；主轴后端加一光电编码器用波纹管连接，供加工螺纹使用；
②数控系统选用江苏东方数控新技术公司生产的NIM-9702数控系统；
③驱动系统的设计。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。

总体改造如图1所示:

图1　C616车床总体改造图
3.3机械部分改造的设挤
1.纵向进给机构的改造
纵向进给运动是由伺服电动机通过安全离合器直接驱动有预加载荷的滚珠丝杠，将旋转运动变为十字溜板的纵向（Z向）运动.
纵向的改造：拆除原机床的进给箱，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱体。滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端采用原固定方式，这样可减小改装现场，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚性略优于以前。
2.纵向进给系统的设计。经济型数控车床的改造，一般是步进电动机经减速后驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电动机的布局可放置在丝杠的一端，对车床改造来说，外观不必像产品设计要求那麽高，而从改造方便实用方便来考虑。一般都把步进电动机方在纵向滚珠丝杠的右端如下图：

3.4纵向进给系统的设计计算
已知条件是
工作台重力：W=800N
时间常数：T=25ms
滚珠丝杠基本导程：L＝6mm
脉冲当量：δ＝0.01mm/step
步距角：а＝0.75°/step
快速进给速度：V＝2m/min
1. 切削力的计算：由《机床设计手册》可知切削功率
Nc=NηK
式中 N-------电动机功率，查机床说明书，N=4Kw
η――－主传动总效率，一般为0.6～0.7，取л＝0.65
K--------进给系统功率系数，取为K=0.96
则 Nc=(4X0.65X0.96)KW
又因为 Nc=Fzv/6120
Fz=6120Nc/V.
式中 V------切削线速度，取V=100m/min.主切削力为
Fz=(6120X2.496/100)kgf=152.76kgf=1527.6N
由《金属切削原理》可知，主切削力
Fz=CFzаpfyFzKpz
查表得 CFz＝188kgf/mm2=1880MPa
XFz=1 yFz=0.75 Kpz=1
则可计算Fz＝1520N时，切削深度ap＝2mm，进给f＝0.3mm，以此参数作为下面计算的依据。
从《机床设计手册》中可知，在一般外圆的车削时
ap/mm
2
2
2
3
3
3
f/mm
0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.4
Fz/mm
1125
1524
1891
1687
2287
2837
Fx=(0.1-0.6)Fz Fz=(0.15~0.7)Fz
取 Fx=0.5Fz=(0.5X1527.6)N=763.8N
Fy=0.6Fz=(0.6X1527.6)N=916.5N
2. 滚珠丝杠设计计算.综合导轨车床丝杠的轴向力
P=KFx+f(Fz+W)
式中 K=1.15,f=0.15~0.18, 取为0.16
P=1.15X763.8+0.16X(1527.6+800)
=1250.8N
强度计算 寿命值
L1=60n1Ti/106
n1=n主f/L0 =1000vf/3.14DL0
取工件直径D=80mm,查表得T1=15000h.
则 n1=1000X100X0.3/3.14X80X6=20r/min
Li=60X20X15000/106 =18
最大动负载 Q=L1/3PfwfH
查表得运转系数fw=1.2 硬度系数fH=1
则 Q=181/3X1.2X1X1250.8=3933.6N
根据最大动负荷Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠
丝杠可以参照南京工艺装备厂的产品样本选取用于数控改造滚珠丝杠副FFZL3206LH-3，其额定动载荷是10689N，所以强度足够用。
效率计算：根据《机械原理》的公式。丝杠螺母的传动效率，η为
η＝tanγ/tan(γ+φ)

式中 摩擦角φ=10′,螺旋升角γ=3°25′.

η=tan3°25′/tan(3°25′+10′)=0.953

刚度验算：滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量

ΔL1=±PL0/EF

式中：L0=6mm=0.6cm；E=20.6X166N／cm2。

滚珠丝杠截面积
F=3.14X(d/2)=(2.8031)2X3．14mm2

则ΔL1 =±PL0/EF=±(1250.8X0.6/20.6X106X(2.8031/2)2X3.14)

=±5.9X10-6cm

滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量ΔL2很小，可忽略，即：ΔL1.所以导程变形总误差厶为
Δ=ΔLX100/L0=(100/0.6X5.9X10-6)=9.8μm/m
查表知E级精度丝杠允许的螺距误差(1m长)为15μm/m，故刚度足够。

稳定性验算：由于机床原丝杠直径声30mm，现选用的滚珠丝杠
直径为声32mm，支承方式不变，所以稳定性不存在问题。

③齿轮及转矩的有关计算。有关齿轮计算：传动比为
i=φL0/360δp=0.75X6/360X0.01=1.25
故取 Z1=32 Z2=40

m=2mm b=20mm а=20°
d1=mz=2X32mm=64mm
d2=mz2=2X40mm=80mm
da1= d1+2ha=68 mm
da2= d2+2ha=84 mm

a= (d1+d2)/2=(64+80)/2=72 mm

转动惯量计算：工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量

J1=(180p/3.14φ)2W=(180X0.01/3.14X0.75)2X80=0.468kg.cm2

丝杠的转动惯量
JS=7.8X10-4D4 L1=7.8X10-4X3.24X140.3=11.475 kg.cm2
齿轮的转动惯量
J21=7.8X10-4X6.44 X2=2.617 kg.cm2
J22=7.8X10-4X84 X2=6.39 kg.cm2
电动机转动惯量很小可忽略
因此,总的转动惯量:
J=1/i2(JS+ J22)+ J21+ J1
=1/1.252（11.475+6.39）+2.617+0.463
＝14.519 kg.cm2
所需转动力矩计算：快速空载起动时所需力矩
M＝Mamax+Mf+M0
最大切削负载时所需力矩
M＝Matf+ Mf+M0+Mi

快速进给时所需力矩
M＝Mf+M0
式中 Mamax一——空载起动时折算到电动机轴上的加速度力矩；
Mf——折算到电动机轴上的摩擦力矩；
M。——由于丝杠预紧所引起，折算到电动机轴上的附加摩擦力矩；
Mat——切削时折算到电动机轴上的加速度力矩；
Mi——折算到电动机轴上的切削负载力矩。

Ma=10-4Jn/9.6T
当n=nmax时，Mamax=Ma。
nmax=vmaxi/ L。=200X1.25/6
=416.7r/min

Mamax=14.519X416.7X10-4/9.6X0.025
=2.52N.m

ni=n0if1/ L=1000X100X0.3X1.25/3.14X80X6=24.88r/min
Mat=14.519X24.88X10-4/2X3.14X0.8X1.25=0.1505N.m

Mf= F0 L0/2X3.14Xη2=fW L。/2X3.14Xηi
当η=0.8 f=0.16 则
Mf=0.16X80X0.6/2X3.14X0.8X1.25=12.23 N.cm
M0= P0 L0（1-η02）/2X3.14Xηi
当η0=0.9时，预加载荷P0=FX/3，则
M0= FX L0（1-η02）/6.X3.14Xηi
=76.38X0.6X（1-0.92）/6X3.14X0.8X1.25
=4.62 N.cm
Mi=Fx L0/2X3.14Xη2
=76.38X0.6/2X3.14X0.8X1.25 =72.97 N.cm
所以，快速空载起动所需力矩

M＝Mamax+ Mf+M0
=（25.72+1.223+0.462）
=274.05 N.cm
切削时所需力矩
M＝Mat+ Mf+M0+Mi
=（1.536+1.223+0.462+7.297）
=105.18 N.cm
快速进给时所需力矩
M＝Mf+M0
=（1.223+0.462）
=16.85 N.cm
由以上分析计算可知：所需最大力矩Mmax发生在快速起动时
Mmax=274.05 N.cm

3.5横向进给系统的设计计算
1.横向进给运动是由伺服电动机带轮齿数均为24的同步带传动通过安全离合器直接驱动有预加载荷的滚珠丝杠，将旋转运动转变为十字溜板的横向（X向）运动。

2.横向进给机构改造
保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。
经济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在床鞍上，用法兰盘或联接套将步进电动机的机床床鞍联接起来，以保证其同轴度，提高传动精度
3横向进给系统的设计计算。由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。
已知条件是
工作台重：W=300N
时间常数：T=25ms
滚珠丝杠基本导程：L0=4mm左旋
行程：S=190mm
脉冲当量：δP=0.005mm/step
步距角：а＝0.75°/step
快速进给速度：Vmax＝1m/min
切削力计算。横向进给量为纵向的1/2~1/3，取1/2，则切削力约为纵向的1/2。
Fz=1/2X152.76=763.8N
在切断工件时
FY=0.5Fz=0.5X76.38=381.9N
1. 滚珠丝杠设计计算。强度计算：对于燕尾形导轨
P=KFY+f（FZ+W）
取K=1.4 f=0.2
则
P=（1.4X38.19+0.2（76.38+30））
=747.4N
强度计算 寿命值
L1=60n1T1/106
=60X15X15000/106
=13.5
最大动负载
Q=L1/3PfwfHP= 13.51/3X12X1X74.74=2135.5N
根据最大动载荷Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠可以参照汉江机床的产品样本选取FC1B系列，滚珠丝杠公称直径为Ф20mm，型号为FC1B20X4-5-E左，其额定动负荷为5393N,
所以强度足够用。
效率计算：螺旋升角γ=3°38′. 摩擦角φ=10′ 则传动效率

η＝tanγ/tan(γ+φ)＝tan3°38′/ tan(3°38′.+ 10′)

＝0.956

刚度验算：滚珠丝杠受工作负载P引起的导程变化量

ΔL1=±PL0/EF＝（±74.74x10x0.4x4/3.14X20.6X106X1.76192）

=±5.96X10-8cm

滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量ΔL2很少，可忽略，

即ΔL＝ΔL1
所以，导程变形总误差为

Δ＝100ΔL/ L0＝5.96x10-6x100/0.4

＝14.9μm/m

查表知E级精度丝杠的允许的螺距误差（1m长）为15μm/m
故刚度足够

稳定性验算：由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支撑方式由原来一端固定，一端悬空，变为一端固定，一端径向支撑，所以稳定性增强，故不再验算

③齿轮及转矩的有关计算。有关齿轮计算：传动比为
i=φL0/360δp=0.75X4/360X0.005=1.67

故取 Z1=18 Z2=30

m=2mm b=20mm а=20°
d1=mz=2X18mm=36mm
d2=mz2=2X30mm=60mm
da1= d1+2ha=40 mm
da2= d2+2ha=64 mm

a= (d1+d2)/2=(36+60)/2=48 mm

转动惯量计算：工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量

J1=(180p/3.14φ)2W
=(180X0.005/3.14X0.75)2X80=0.0439kg.cm2

丝杠的转动惯量
JS=7.8X10-4D4 L1=7.8X10-4X24X50=0.624 kg.cm2
齿轮的转动惯量
J21=7.8X10-4X3.64 X2=0.262 kg.cm2
J22=7.8X10-4X64 X2=2.022 kg.cm2
电动机转动惯量很小可忽略
因此,总的转动惯量:
J=1/i2(JS+ J22)+ J21+ J1
=（3/5）2（0.624+2.022）+0.262+0.0439
＝1.258kg.cm2
所需转动力矩计算：
nmax＝vmaxi/ L0＝1000x5/3/4＝46.7 r/min
Mama＝10-4Jnmax/9.6T＝1.258x416.7x10-4/9.6x0.025=0.2184N.m
nt=nift/ L0=1000X100X0.15X5/3.14X2X0.8X5=0.028 N.m
Mat=1.258X33.17X10-4/9.6X0.025=0.017 N.m
Mf= F0 L0/2X3.14Xηi=0.2X30X0.4X3/2X3.14X0.8X5
=0.028 N.m
M0= FX L0（1-η02）/6.X3.14Xni=0.011 N.m
Mt= Fr L0/2X3.14Xηi=38.19X0.4X3/2X3.14X0.8X5
=0.179 N.m

快速空载起动时所需力矩
M＝Mamax+Mf+M0
=2.23+0.287+0.116
=26.33 N.m
切削时所需力矩
M＝Mat+ Mf+M0+Mt
=0.1774+0.287+0.116+1.824
=24.04 N.m

快速进给时所需力矩
M＝Mf+M0
=0.287+0.116
=4.03 N.m
从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时
Mamax=26.33 N.m
纵、横向进给机构都采用了一级齿轮减速，并用双片齿轮错齿法消除间隙，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。当负载较大时，弹簧弹力显得小，起不到自动消除间隙的作用；当负载较小时，弹簧弹力又显得大，则加速齿轮的磨损。为此采用人工定期调整螺钉紧固的办法来消除间隙。 刀架的改造。拆除原刀架和小拖板，换上数控刀架。
进给传动链为普通车床改造后的进给传动链,刀具纵向(Z轴)移动由步进电机,经接口箱内一对减速齿轮,转动纵向移动的丝杆而实现。刀具的径向(X轴)移动由步进电机,经接口箱内一对减 速齿轮,转动横向移动丝杆而实现,该传动链与原机床的传动链相比,摆脱了结构复杂的进给箱和拖板箱
纵、横向齿轮箱和丝杠全部加防护罩，以保持防尘和机床整体美观。改造后的横向进给系统如图2所示。

图2　横向进给系统图

四、 步进电动机的选择

1. C616纵向进给系统步进电动机的确定
Mq=M10/0.4=27.405X10/0.4
=685.125 N.m
为满足最小步距的要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表9-4知：Mq/Mjm=0.866，所以，步进电动机最大静转矩Mjm为
Mjm＝Mq/0.866＝685.125/0.866＝791.14 N.m
步进电动机最高工作频率
fmax=Umax/60δp=2000/60X0.01=3333.3Hz
综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电动机，能满足使用需求
2. C616横向进给系统步进电动机确定
Mq＝ML0/0.4=2.633X10/0.4=65.825 N.cm
查表9-4知；Mq/Mjm=0.866
所以，步进电动机的最大静转矩Mjm为
Mjm= Mq/0.866=65.825/0.866=70.01 N.cm

步进电动机最高工作频率
fmax=Umax/60δp=2000/60X0.01=3333.3Hz
为了便于设计和采购，仍选用110BF003型直流步进电动机，能满足使用需求

五、总结

数控机床经济型改造，实质是机械工程技术与微电子技术的结合。通过对普通车床伺服进给机构及刀架的改造，使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短，传动件数减少，从而提高了机床的加工精度，使机床的加工效率得到提高，自动化程度提高，降低了工人的劳动强度及生产成本，具有良好的经济效益，适应现在经济的发展

六.致谢词

经过几个月的忙碌和学习，本次毕业论文设计已经接近尾声。作为一个毕业生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导教师的的督促指导，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的论文指导老师。陈老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。除了敬佩陈老师的专业水平外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。最后还要感谢大学散年来所有的老师，是在他们的教诲下，我喜欢上了这门专业，掌握了坚实的专业知识基础，为我以后的扬帆远航注入了动力。

七．参考文献：

［1］吴振彪. 机电综合设计指导（第一版）［M］. 北京：中国人民大学出版社，2001.
［2］余英良. 机床数控改造设计与实例（第一版）［M］. 北京：机械工业出版社，2001.
［3］唐金松. 简明机械设计手册（第二版）［M］. 上海：上海科技大学出版社，2000.
［4］林宋， 田建君. 现代数控机床（第一版）［M］. 北京：化学工业出版社，2000.
［5］王爱玲，现代数控原理及控制系统。北京：国防工业出版社，2002
［6］李善术，数控机床及其应用。北京：机械工业出版社，2001.5
［7］王贵明，数控实用技术。北京：机械工业出版社，2001

装配图
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