C6132纵向进给说明书.doc

集美大学本科毕业设计（论文）

目 录

摘 要 Ⅰ
ABSTRACT（英文摘要） Ⅱ
目 录 Ⅲ
引 言 1
第一章 总体方案的设计 3
1.1 设计任务 3
1.2 总体方案的拟定 3
1.2.1伺服系统的改造设计 4
1.2.2计算机控制系统的选择与设计 5
1.2.3机械结构的改造设计 5
1.2.4自动回转刀架的选择设计 5
1.2.5编码盘的选用和安装 6
1.2.6电气控制系统的改装设计 7
第二章 机械部分的改造设计 8
2.1进给系统的传动方式及丝杠类型选择 8
2.2 纵向进给系统的改造设计 11
2.2.1 确定系统脉冲当量 11
2.2.2 车削力的计算 11
2.2.3滚珠丝杠副的设计、计算和选型 12
2.2.4确定齿轮传动比 18
2.2.5 纵向步进电机的计算与选用 19
2.2.5.1负载转动惯量计算 19
2.2.5.2各种工况下转矩计算 19
2.2.5.3 步进电动机的选型 20
摘 要
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，很好的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，且能稳定产品的和、加工质量。大幅度的提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床间隔较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。另外从目前国内机床使用的现状来看，普通机床拥有量巨大，在生产中，数控机床相对于普通机床的优势较为明显，而由于数控机床价格昂贵，所以有必要对普通机床加以数控改造，使之能完成数控机床能完成的部分生产任务。因此，我大胆的提出了对普通C6132车床的数控化改造。
C6132普通车床是普通机床中比较有代表性的机床，它在机械结构上有其先天性的不足。如刚度低、抗振动性差、滑动摩擦阻力较大及传动元件存在间隙等，因此需要有目的地改造，以满足数控机床最基本的要求，这也是本文主要讨论的问题。
以C6132型普通机床为例，从机械和电气方面详细阐述了数控化改造的方法。改造后的车床投入使用后运行稳定，加工精度明显提高，取得了极大的经济效益。
关键词：数控改造 普通车床 进给系统 电气系统
Abstract
CNC machine tool as a typical mechatronic products, play an important role in the mechanical manufacturing industry, a good solution to the complex, the structure of modern machinery manufacturing precision, small batch processing, changeable parts, and can stabilize the product quality, processing and. Improve production efficiency greatly. But from the current enterprises are facing the situation, because the numerical control machine tool interval is more expensive, a one-time investment, enterprise is insufficient. In addition from the present situation of domestic machine tool, general machine tools with huge amount, in the production of CNC machine tools, relative to the ordinary machine has obvious advantages, and as a result of NC machine tools is expensive, so it is necessary to numerical control reforming of ordinary machine tool, which can complete the part of CNC machine tools to complete the production task. Therefore, I made bold to NC transformation of common lathe C6132.
C6132 ordinary lathe is of general machine more representative of the machine tool, it have some congenital deficiencies in the mechanical structure. Such as low stiffness, vibration resistance is poor, sliding friction resistance and transmission elements there is a gap, therefore needs to change, in order to meet the requirements of CNC machine tools is the most basic, this is also the main issues discussed in this paper.
Taking C6132 lathe as an example, elaborated the NC transformation method from mechanical and electrical. After the transformation of the lathe and put into use after stable operation, processing precision is obviously improved, made great economic benefits.
Keywords: Transformation of ordinary lathe numerical control electrical system引 言
目前我国机床主要是卧式车床，与发达国家相比，型号陈旧，技术水平落后，严重影响了生产的发展。。采用先进的数控车床，已成为当今世界制造业的发展趋势。鉴于国内制造业中普通机床的占有率较高，提高车床数控化率有两个可行的途径，一是购置新的车床；二是把卧式车床改造成数控车床。根据国内目前的经济状况，花大量的资金更换全新的数控车床花费过高，给企业造成的经济负担较大，同时报废大量的普通机床是一个很大的浪费。因此，各企业可根据自身的情况，酌情进行数控化率的提高，可以购置一批精度高、性能强的数控化车床，或数控化改造一批尚有一定精度的卧式车床。
C6132车床改造属于经济型数控车床的改造，主要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵向和横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机，通过步进电动机带动滚珠丝杆转动。数控化改造后的机床，能对纵向和横向进给运动进行数字控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.01mm/脉冲，横向最小运动单位0.005mm/脉冲，刀架为自动转位刀架，经改装后的机床能实现加工外圆、锥度螺纹、端面等的自动控制。数控化改造提高了原机床的生产速度，降低了劳动强度，同时缩短了生产周期，提高了产品质量和生产率。
数控化改造后具有如下几个优越性：
1、 数控化改造提高了加工精度和生产率。
2、 数控化改造提高了机床的性能和质量，加工出原机床难以加工或者不能加工的复杂轴类零件。
3、 机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效率可比原机床提高3倍。
4、 机床数控化改造后拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好地调节了机床加工状态，还可以提示操作机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。
第一章 总体方案设计
1.1设计任务
这次设计的任务是：数控化系统的选型，伺服系统、机械传动系统、电气系统数控化改造和液压部分的维护以及绘制相关图样。要求改造车床具有一般数控车床的性能，设计内容包括：数控系统的选型，伺服系统、机械系统和电气系统的数控化改造设计，自动回转刀架和编码盘的选型与改装，以及液压系统的清洁与维护。数控系统方面，考虑到直流伺服电动机的价格昂贵，采用步进电动机驱动的开环控制系统，而在机械系统的改造方面，采用步进电动机---减速齿轮---滚珠丝杠螺母副---小滑板的传动方式。
主要技术参数：
最大加工直径： 床身上：320mm 床鞍上：165mm
最大加工长度： 1000mm
溜板及刀架重量：纵向：800N 横向：400N
刀架快速： 纵向：2m/min 横向：1m/min
最大进给速度： 纵向：0.6m/min 横向：0.3m/min
最小分辨率： 纵向：0.01mm 横向：0.005mm
定位精度: 0.01
主电机功率: 4KW
启动加速时间: 25ms
机床的数控化改造主要应用了现代成熟的数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，改变现有机床的结构，给旧机床换上新部件、新装置和新附件，提高现有机床的技术性指标，使之全部或局部达到新数控机床的水平。
1.2 总体方案的拟定
卧式车床进行数控化改造，可以显著提高机床性能和减轻操作者劳动强度。而合理选择数控系统和改造方案，可保证改造效果和降低成本。考虑具体的改造方案时，基本原则是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。C6132车床总体改造方案为：增配车床数控系统，更换进给运动的滑动丝杆传动为滚珠丝杆传动，采用步进电动机驱动进给运动，加装编码器，配置自动回转刀架实现自动换刀。
具体的改造主要从数控系统的选择、伺服系统的改造设计，机械结构的改造设计、自动回转刀架的选择设计、编码盘的选用和安装、电气系统的改造设计、液压系统的清洁与维护等几个方面来进行，通过改造使其具有数控机床的一般特性。下面就从各个部分来具体阐述这次的设计方案。
1.2.1 伺服系统的改造设计
在普通机床的数控化改造系统中一般采用步进电机和交流伺服交流电动机。交流伺服电动机调速方便，体积小，目前广泛用于数控机床的传动系统。与步进电动机相比，其精度高、价格昂贵，考虑到改造本身是经济型改造，因此一般选用步进电机作为驱动装置。步进电机采用脉冲数字信号进行改造，每转一转步距误差自动变为零，能方便地实现调速以及定位，改变各相绕组的接通次序即可实现正反转，易于控制，且价格低廉，数控车床上大多使用反应式步进电机。在需要快速移动大距离的条件下，应选择转动惯量小、运行频率高、价格较低的反应式步进电机。
经全面考虑，在C6132的数控化改造中，选用反应式步进电机作为纵向和横向的进给驱动。理由是：该系统控制方便，由数控系统送出的步进指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，是步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠服驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可以控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。该系统结果简单，易维修，性价比高；考虑改造后的C6132机床的精度要求（数控化改造后纵向精度为0.01mm/不，横向精度为0.005mm/步），加工精度要求不算太高，为简化结构、降低成本，故选择步进电机驱动的开环控制系统。
1.2.2 计算机控制系统的选择和设计
根据改造后的C6132机床精度要求（数控化改造后纵向加工精度为0.01mm，横向加工进度为0.005mm），加工精度要求不算太高，所以可以选择步进电机驱动的开环控制系统。
综合考虑性价比，在充分调研比较的基础上并根据改造的目的，本方案选用广州数控设备厂生产的GSK980TA车床数控系统，广州数控设备厂同时生产与该数控系统相匹配的驱动器，从而有利于维修和管理。GSK980TA数控系统采用先进的开放体系结构，性价比高，属于连续切削控制系统，具有以下特点：
（1）、该系统采用16bit高速微处理器（CPU）和超大规模可编程门阵列（CPLD）进行硬件插补，实现高速微米级控制。
（2）、全封闭式装置，集成度高，整机工艺结构合理，抗干扰能力强，可靠性高。
（3）、直线型、指数型加减速方式，可配套步进电机、伺服电机，应用灵活。。
（4）、可变电子齿轮比，应用方便。
（5）、320*240点阵图形式液晶显示。
（6）、中文、英文菜单，界面友好，操作方便。
1.2.3 机械结构的改造设计
在机械结构的改造设计中，主要针对原车床的进给系统进行数控化改造，主传动系统中保留C6132车床的主轴机械部分和三相交流电动机YD132M--4B5TH，只是在与主轴同步旋转的轴上，加装一个脉冲编码器，实现螺纹的数控加工。
在进给传动系统中，数控系统对纵向、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电机。进给传动机构如图1-1所示，纵向和横向均采用步进电动机--减速齿轮--滚珠丝杠螺母副--床鞍（或中滑板）的传动方式。分别在X轴和Z 轴的步进电机输出轴端配置减速器，减速器由一对啮合齿轮组成，通过减速器齿轮传动，由滚珠丝杠副把动力传给床鞍，从而带动托板的移动。为实现机床所需的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，同时为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。改装时先拆除原机床的进给箱、溜板箱、光杆和丝杆，再换上滚珠丝杠（安装在原丝杆的部位）。在本设计中滚珠采用循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式、精度等级为3级，型号为JCS--CDM系列滚珠丝杆副。此外，为提高传动刚度和消除间隙，齿轮传动要采用消除齿侧间隙的结构。

图1-1 进给传动机构
1——步进电机 2——齿轮减速装置 3——支承装置
4——丝杠 5——床鞍 A、B——齿轮
1.2.4 自动回转刀架的改造和设计
自动换刀装置因数控机床的形式、工艺范围和刀具的种类与数量的不同而具有不同的形式。目前常用的有自动回转刀架和带刀库的自动换刀装置。自动回转刀架也称为转塔式刀架，它是数控机床上最常用的，也是最简单的一种自动换刀装置，通过回转头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作 。自动回转刀架是由数控系统控制，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，在本改造中，采用四方自动回转刀架。
在C6132车床数控改造中，将原机床的普通手动回转刀架替换成自动回转刀架，拆除原刀架和小滑板，换上由常州宏达机床数控设备厂生产的LD4—CK6132四工位自动回转刀架。
1.2.5 编码盘的选择和安装
机床能否进行螺纹加工是主轴部分数控化改造的重要部分，所以在原来车床上需加一个脉冲编码器，才能实现自动加工螺纹的目的。
在经济型数控车床上加工螺纹或丝杆时，需要配置主轴脉冲发生器，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，发生主轴转角位置变化信号，输送到数控系统，数控系统按照所需加工的螺距进行计算处理，从而控制机床纵向或横向步进电机，实现加工螺纹的目的。所以进行C6132的数控化改造设计时，决定在主传动系统中加装一个光电码盘。
结合脉冲编码器每转进给脉冲数（即分辨率）对螺纹的加工范围，再结合环境特性，并根据机床主轴转速不允许超过主轴脉冲发生器的最高须用转速的原则，初步选择长春三峰传感技术有限公司生产的常规型实心轴光电编码器PIE系列编码器。该系列编码器经济适用，力矩小，多规矩，适应多种数控设备其最高许用转速为5000r/min，远大于车床主轴最高转速2000r/min。
1.2.6 电气控制系统的改装设计
在电气控制系统中的改造设计中，应该遵循：在满足控制要求的前提下，设计方案力求简单、经济，不宜盲目追求高标准和高指标，力求控制系统操作简单、使用与维修方便。机床中的主轴电动机、冷却泵电动机、刀架电动机等均需要系统自动控制。C6132车床改造后的电气控制线路由电源电路、主电路、控制电路和CNC控制器等，主要增加的电器元件包括主轴编码器、X/Z轴驱动器、电动刀架控制器以及必要的控制开关、继电器等。改造后拆除原电控箱，原位安装改造后的电控柜，最后还需电气、机修人员共同进行通电调试。
数控机床中电气控制系统除了对机床辅助运动和辅助动作控制外，还包括对保护开关、各种行程、极限开关的控制，以及在操作盘上所有按键、操作指示灯等的控制。
改造后的电气控制系统，不仅保留了传统控制系统的优点，同时具有体积小、功能强、通用性和灵活性强、使用维护方便等优点。
第二章 机械部分的改装设计
2.1 进给系统的传动方式及丝杠类型选择
2.1.1 传动方案
机械部分传动机构示意图如图2-1所示和2-2所示。横向和纵向均采用步进电机—减速齿轮—滚珠丝杆螺母副—溜板的传动方式。为实现机床所需要的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，同时为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。在本设计中采用循环插管式、双螺母垫片预紧、导柱管埋入式、精度等级为3级，型号为JSC—CDM系列滚珠丝杆副。
此外,为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构，齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。在X轴和Z轴的步进电机输出轴端配置减速器，减速器由一对啮合齿轮组成，使减速器输出轴通过连接套与滚珠丝杆直接相连，由滚珠丝杆副把动力传给工作台带动工作台的移动。

图2-1 横向传动机构示意图
1——步进电机 2——齿轮减速装置 3——支承装置
4——丝杠 5——中滑板 A、B——齿轮

图2-2 纵向传动机构示意图
1——步进电机 2——齿轮减速装置 3——支承装置
4——丝杠 5——床鞍 A、B——齿轮
2.1.1 滚珠丝杠的选择
关注丝杠副作为精密、高效的传动元件在精密机床、数控机床得到广泛应用，在机械工业、交通运输、航空航天、军工产品等各个领域应用得很普遍，可用作精密定位自动控制、动力传递和运动转换。
1）、滚珠丝杠副传动的特点。滚珠丝杠副传动与滑动丝杠传动相比有以下优点：
1、传动效率高。一般可达95%以上，是滑动丝杠传动的2~4倍。
2、运动平稳，摩擦力小，灵敏度高，低速无爬行。
3、可以预紧、消除丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度。
4、定位精度和重复定位精度高。
5、使用寿命为普通滑动丝杠的4~10倍，甚至更高。
6、同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性。
7、使用可靠，润滑简单，维修方便。
8、不自锁，可逆向传动，即螺母为主动，丝杠为被动。旋转运动变为直线运动。
9、有专业厂生产，选用配套方便。
2.1.3滚珠丝杠副精度等级确定
查参考文献得出，在车床数控化改造中可选用3级精度的滚珠丝杠。表2-1为滚珠丝杠推荐应用精度等级。
机床类型
坐 标
精度等级
1 2 3 4 5 7 10
数控机床
X
Z
√√ √
√ √
2.1.4 滚珠丝杠的润滑、防护、密封
1、润滑：滚珠丝杠必须润滑。滚动轴承用的各种润滑剂原则上都要可以用。主轴的各种润滑剂和润滑方式都可以用于精密滚珠丝杠。一般情况下采用锂基润滑脂，在高速和需要严格控制升温时，可用L—AN32全损耗系统用油、汽轮机油循环润滑或喷雾润滑。
2、防护和密封：丝杠防护套有伸缩套管式、折叠套管式和螺旋钢带保护套。后者有专业厂生产，应用较广，所以选用螺旋钢带保护套。
2.2 进给系统的改造设计
2.2.1 确定系统脉冲当量
一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.01～0.005mm/脉冲。
根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/脉冲，横向：0.005mm/脉冲。
2.2.2 车削力的计算
切削力是指在切屑过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的讲是在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力。车削外圆时的切削力如图2-1所示。主切削力 与切削速度的方向一致，垂直向下，是计算车床主轴电动机切削功率的依据；进给力 与进给方向平行且方向相反；背向力与进给方向相垂直，对加工精度的影响较大。

图2-1 车削力分析
由《机床设计手册》可知，切削功率

式中：—主轴电动机功率， ；
—主传动系统总效率，一般为0.75～0.85，取=0.85；
—进给系统功率系数，一般取=0.96。
则
切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和最大切削速度来计算，即，式中切削速度v取100,则主切削力：
==1980
根据经验公式::=1:0.4:0.35，计算出：
=1980×0.4=792
=1980×0.35=693
2.2.3 滚珠丝杠副的设计、计算和选型
滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动，其螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。
2.2.4 确定齿轮传动比
有关齿轮计算
传动比

故取
； ； ； ； ；

2.2.5 纵向步进电机的计算与选用
（1）工作台质量折算到电机轴上的转动惯量
丝杠的转动惯量

式中 ——滚珠丝杠的公称直径；
——丝杠长度。
则
齿轮的转动惯量

电机的转动惯量很小可忽略。
因此，总转动惯量

（2）所需转动力矩计算
快速空载启动时所需力矩

最大切削负载时所需力矩

快速进给时所需力矩

式中 ——空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；
——折算到电机轴上的摩擦力矩；
——由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；
——切削时折算到电机轴上的加速度力矩；
——折算到电机轴上的切削负载力矩。

当时

当时

当时， 时

当时预加载荷，则

所以，快速空载启动所需力矩

切削时所需力矩
快速进给时所需力矩

由上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动时：

（3）纵向进给系统步进电机的确定

为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知

所以，步进电机最大静转距为

步进电机最高工作频率

综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电动机，能满足要求。
结 论
为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，出尽可能的减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨的耐磨性。当前国内卧式车床的床身等大件都采用普通铸铁，而拖板也是普通铸铁，其摩擦因数较高，为了提高机床的动载性能，减少摩擦力，在改造中采用了在机床滑板导轨上贴聚四氟乙烯软带的办法，大大减少了摩擦阻力，提高了防爬、耐磨、消振吸声的能力。
C6132卧式车床改造后，实现了开环数控自动化加工，大大提高了加工功效，增强了其实用性，稳定了零件的加工质量，并保留了原机床的基本结构和部分工作性能，能节约资金、缩短生产周期，是工厂进行机械设备技术化改造的趋势。
在设计过程中，我本着认真刻苦的态度去学习设计步骤、方法、以及经验，但是由于该设计许多方面的细节问题涉及面太广，由于本人知识面和能力都极其有限，同时由于时间仓促，因此不能科学详尽的做出正确的选择与判断，所以设计中难免出现一些错误。虽然有些不足和遗憾，但是总的来说，该设计还是比较成功的。基本上完成了这台卧式车床的数控化改造设计，能实现预期的所有功能，成功的完成了老师布置的任务。不够完善的地方还望各位老师同学不吝赐教，敬请斧正。参考文献
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致 谢
本次毕业设计，我在xx 老师的指导下第一次独立完成的，通过本次设计，不仅检验了我大学四年来知识积累的程度，而且丰富了我在实际设计中的经验，更是对我设计理念的一次全面升华。
在这一个学期的设计过程中，我们得到了xx 老师的大力支持和帮助，在设计过程中他不知疲倦、不厌其烦的给我们分析和讲解，也给我们灌输了一些先进的设计方法和设计理念，使我们大受裨益。在此，我中心地向xx 老师表示感谢。同时我也得到了我们学院很多老师和同学的支持和帮助，在此，我一同表示衷心的感谢。
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