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课程设计说明书

课程名称： 课程设计
题 目：用CNC改装C6140车床进给系统

学 院： 南昌大学科学技术 系： 机电
专 业： 机械设计制造及其自动化
班 级： 082班
学 号：
学生姓名： 谭辉
起讫日期： .11.29￣~￣.12.16
指导老师： 胡庭蔚 职称： 老师
系分管主任：
审核日期：

目 录
设计任务书 ……………………………………………………………

序言……………………………………………………………

1.1概述……………………………………………………….

1.2控机床特点及其组成…………………………………

1.3可行性论证………………………………………………

1.4改造方案确实定…………………………………………

1.5 课程设计关键参数……………………………………

1.6 给伺服系统机械部分设计计算……………………

1.7、滚珠丝杆螺母传动副设计计算及选型………………

1.8、滚球丝杆螺母副设计计算和选型……………………

1.9、相关传动设计计算………………………………………
心得体会………………………………………………………..
参考文件……………………………………………………….
致谢…………………………………………………………….

    前 言
计算机技术和优异制造技术发展，推进了机械加工在各方面变革和进步。经典数控机床已成为现代加工器械鲜明代表。考虑到企业生产效率和投资成本，一般车床数控化改造将是一个极为有意义课题。
在过去几十年，即使金属切削基础原理改变不大，但伴随社会生产力发展，要求制造业向自动化和精密化方向发展，而刀具材料和电子技术几部，尤其是微电子技术、电子计算机技术进步，利用到控制系统中，技能帮助机床自动化又能提升加工精度，这些全部要求对旧机床进行改造，另外，在经济方面，用机床数控改造比更新设备节省50%资金。再加上市场原因，因为现在机床市场供给无法满足大量机床设备更新要求，所以更显示出机床数控化改造必需性。
数控改造相对于购置机床来说，能充足发挥设备潜力，改造后机床比传统机床有很多突出优点。因为数控机床计算机有很高运算能力，能够正确计算出每个坐标轴运动量，加工出较复杂曲面和曲线。而且计算机有很强记忆和储存能力，能够将输入程序记忆和储存下来，然后按程序要求次序自动去实施，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序就能够实现另一工件加工，从而实现“柔性自动化”。改造后机床不像新购置机床不了解加工精度，而改造机床能够正确计算出加工能力。另外，数控改造能够充足利用现有地基，还能够依据技术革新发展速度,立即提升生产设备自动化水平。
数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不仅技术上还有优异性同时在应用上臂其它传统自动化改造方案有较大通用性和可用性。而且投入费用低，。因为自投入以来取得了显著技术经济效益，已成为中国设备技术改造中关键方向之一也为中国传统技术制造技术朝机电一体化方向过渡关键任务之一。
一般车床数控化改造设计是机电一体化系统课程设计关键内容，经过综合利用所学机械、电子、自动控制、计算机等知识，进行一次机电结合全方面训练，已培养学生独立分析问题、处理问题和进行机电一体化系统初步设计能力。本人将在3个星期内，在胡廷蔚老师指导下，对CA6140数控车床进行开环控制纵向进给改造。

1.1、概述
整个人类社会文明史，就是制造技术不停演变和发展历史。任何国家制造业全部是国民经济基础产业，也是国民经济关键起源。没有发达制造业，就不可能有国家真正繁荣和强大。制造技术是制造业技术支柱，是一个国家科技水平、综合国力关键表现，制造技术发展是一个国家经济增加根本动力。而制造业中机床是其基础装备。中国是一个机床大国，有三百多万台一般机床。但机床素质差，性能落后，单台机床平均产值只有优异工业国家1/10左右，差距太大，急待改造。旧机床数控化改造，顾名思义就是在一般机床上增加微机控制装置，使其含有一定自动化能力，以实现预定加工工艺目标。伴随数控机床越来越多普及应用，数控机床技术经济效益为大家所了解。在中国工厂技术改造中，机床微机数控化改造已成为关键方面。很多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造一般机床，并取得了良好经济效益。中国经济资源有限，国家大，机床需要量大，所以不可能拿出相当大及。资金去购置新型数控机床，而中国旧机床很多，用经济型数控系统改造一般机床，在投资少情况下，使其既能满足加工需要，又能提升机床自动化程度，比较符合中国国情。1984年，中国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到现在为止，已经有很多厂家生产经济型数控系统。能够预料，以后机床经济型数控化改造将快速发展和普及。

1.2、数控机床特点及其组成
数控机床操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床大脑。和一般机床相比，数控机床有以下特点：
　1加工精度高，含有稳定加工质量；
　2可进行多坐标联动，能加工形状复杂零件；
　3加工零件改变时，通常只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；
　4机床本身精度高、刚性大,可选择有利加工用量，生产率高（通常为一般机床3~5倍）；
　　 5机床自动化程度高，能够减轻劳动强度；
　6对操作人员素质要求较高，对维修人员技术要求更高。
　　数控机床通常由下列多个部分组成：
　1主机，她是数控机床专题，包含机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。她是用于完成多种切削加工机械部件。
　2数控装置，是数控机床关键，包含硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）和对应软件，用于输入数字化零件程序，并完成输入信息存放、数据变换、插补运算和实现多种控制功效。
　3驱动装置，她是数控机床实施机构驱动部件，包含主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。她在数控装置控制下经过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当多个进给联动时，能够完成定位、直线、平面曲线和空间曲线加工。
　　4辅助装置，指数控机床部分必需配套部件，用以确保数控机床运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包含液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包含刀具及监控检测装置等。
　5编程及其它隶属设备，可用来在机外进行零件程序编制、存放等。
自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，尤其是在汽车、航空航天、和军事工业中被广泛地应用，数控技术不管在硬件和软件方面，全部有飞速发展。

1.3、可行性论证
依据《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现在所进行技术和经济性分析汇报，是上级主管部分审定和同意立项基础依据。一样，在进行一般车床经济型数控改造之前进行公道、科学可行性论证是必需。
    依据传统论证方法，一般车床经济型数控改造可行性论证应围绕以下多个方面进行，即企业生产经营现实状况及存在题目分析，企业生产经营目标，改造基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床实施计划，结论等。
1、目标：数控机床要有较高质量、较高效率、较低成本、较低劳动强度
2、  对于一般车床经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵照标准是：在满足设计要求前途下，对机床改动应尽可能少，以降低本钱。
3、机床CNC改造要能带来经济效益于此同时降低成本。符合中国基础国情和需要。
4、结论：对一般车床作经济型数控改造适合中国国情，是中国企业提升车床自动化能力和精密程度有效选择。它含有一定经典性和实用性。

1.4、改造方案确实定
1、相关主运动（主轴旋转）保留原有主运动结构系统、考虑改造成本和周期。缺点：不能实现无极变速。

2、相关进给系统：
    a将原机床挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。

b纵向、横向进 给和步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杆传动。

3、相关刀架：将手动改为四工自动回转刀架。

4、导轨：滚动导轨全部采取贴塑导轨。

1.5、课程设计关键技术参数
题目：用CNC技术改造C6140型卧式车床进给传动系统
最大加工直径（mm）： 400

最大加工长度（mm）：1000
滑板板及刀架重量（N）：

纵向： 900
横向： 600
刀架快移速度（m/min）：
纵向： 2.2
横向： 1.1
最大进给速度（m/min）：
纵向： 0.6
横向： 0.3
定位精度（mm）： +0.025到-0.025
主电机功率（KW）： 5.5
起动加速时间（ms）： 35
必需完成工作量：
1、机械结构装配图， A0 1张
2、专用零件图（箱体）A1 1张

1.6、进给伺服系统机械部分设计计算
1、相关脉冲当量
纵向：脉冲当量为0.01mm\脉冲
横向：脉冲当量为：0.005 mm\脉冲
2、相关切削力
a、经验公式：F=0.67Dmax(1.5次方)=0.67X400（1.5次方）=5360N
式中：Dmax-车床最大车削直径（mm）
按下列百分比关系求F轴和F径
F主：F轴:F径=1:0.25:0.4=5360:1340:2144
得：F轴=1340N 、 F径=2144N

b、依据主电动机功率计算
切削时切削功率P切=P主*n(主传动系统总传动效率)
式中：P主-主电动机功率 n-主传动系统总传动效率
总传动效率能够取两种第一个n=0.8 另一个n=0.75:

依据P切求主轴扭矩Mn=9550P切/nj(N/m)取n=0.0.75
P主=5.5KW n=0.8 P切=5.5X0.75=4.125KW
Mn=9550P切/nj=9550X4.125/63=625.298（N/m）
式中：P切-切削功率 nj-机床主轴计算转速（r/min）

数 据 选 择
最大车削直径
nj(r/min)
D(mm)
320
80
175
400
63
210
500
50
280
依据主轴扭矩求住切削力：
纵向：F主=2Mn/d X1000=2X625.298/210X1000=5955.219（N）依据百分比计算F轴=1488.804X（N）d—车床床鞍上最大车削直径 F径=2382.088（N）：

1.7、滚珠丝杆螺母传动副设计计算及选型
a牵引力计算：
纵向：Fm=KF轴+f(F主+G)
式中：K:导轨试验系数，取K=1.15 F径=切削径向分力（N）
f为导轨面上摩擦系数（贴塑f=0.03~0.05）取0.03
F主—主切削力 F轴—切削轴向分力 G—移动件重量（N）

计算过程 纵向：f=0.03 G=900N Fm=KF轴+f(F主+G)=1.15X1488.8040.03X(5955.219+900)=1918(N)

最大动负载Q计算公式：Q=fwFm
式中：L—丝杆寿命单位以106次方为单位
式中：n—丝杆转速r/min,

式中:Vs—最大切削力条件下进给速度(m/min)
通常Vs取最大进给速度1/2—1/3(取1\2)
取Vs=0.4 L。—丝杆导成（mm）通常L。=5或6（mm）
T—丝杠使用寿命（h）取T=15000h
fw—丝杆运转系数：取fw=1.2 Fm—牵引力
计算过程：
L。=5，Vs=0.5Vmax(见任务书)，T=15000h, fw=1.2
n=60r/min
L=54

所以最大动负载
纵向：Q=fwFm= X 1.2 X 1918=8699.502

1.8、滚球丝杆螺母副设计计算和选型
A牵引力
B最大动负荷Q计算
C初选丝杆副——选择最大动负荷W1L3005 丝杆公称直径d。=30，导程L。=5mm,滚珠直径dw=3.175mm
D丝杆刚度验算：先确定两个问题：第一个丝杆支撑方法。第二个丝杆长度。纵向：变形长度，车削长度+400mm
(1) 丝杆拉伸（压缩）变形量（mm）δ1

L=＋/－(FmL。/EA)
式中：L—单位导程所产生变形量（mm）
Fm—丝杆牵引力（N）
L。—丝杆导程（mm）
E—丝杆材料弹性模量，E=20.6×104N/mm2
A—丝杆横截面积，按内径计算：

A=3.14（d内）2/4，d内=d。－1.02dw，式中：d。—丝杆公称外径，dw—滚珠直径
计算过程：
丝杆总长度拉伸（压缩）变形量（mm）δ1

δ1=L×L/L。=+/-（FmL/EA）式中：L—丝杆受力总长度

d内=d。－1.02dw=26.7615mm, A=3.14 X（d内）2/4=3.14 X 26.76152
/4=562.12mm2
Fm=1918 N
δ1=L×L/L。=+/-（FmL/EA）=1918×1400/20.6×10000×562.12=8.989/1000=0.02319 mm

（2）丝杆精度等级选择
精度等级共七级：1、2、3、4、5、7、10；常见1—5级

任意300mm内行程变动量
（um）

V300P

精 度 等 级

1

2

3

4

5

6

8

12

16

23

刚度条件：δ1+ V300P<=定位精度+\-0.025
算过程以下：

0.02319+V300P<=+0.025得到V300P<=0.0019= 1.9um没有符合要求精度等级，

若初选丝杆不满足刚性要求，处理方法：A、加粗丝杆—这种方法比较笨 通常不采取B、丝杆径预拉伸—刚度提升四倍
采取丝杆预拉伸使刚度提升四倍δ1=0.02319/4=0.0058得到
V300P<=0.0192=19.2um
所以选四级精度.

1.9、相关传动设计计算
A、总传动比确实定（n被：n主=z主：z被=传动比）
U=360oδP /Q。L。

式中：δP—系统脉冲当量（mm/脉冲）纵向取0.01
Q。—步进电机步距角 0.75o/脉冲
L。—丝杠导程（mm）5mm
U=360oδP/Q。L。=360×0.01/0.75×5=0.96

B、传动比分配
采取前大后小标准分配；因为靠近1所以取一级传动

C、齿轮间隙消除方法：

心得体会

此次课程设计题目是CNC改装C6140车床传动系统，在此过程中我不仅利用了以前所学各个学科方面知识，而且学到了书本以外知识。在此次设计过程中碰到了不少问题，也走了不少弯路，经过此次设计实践让我学会虚心讨教，细心体察，大胆实践。任何能力全部是在实践中积累起来，全部会有一个从不会到会，从不熟练到熟练过程，人常说“生活是最好老师”就是说只有在生活实践中不停磨练，才能提升独立思索和处理问题能力；同时也培养了自己优良学风、高尚人生、团结和合作精神；学会了勤奋、求实学习态度。 勤奋就是要发奋努力、不畏艰苦。唐代思想家韩愈有句名言：业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。优良学业是辛勤汗水结晶，成就只有经过刻苦学习和拼搏才能取得。马克思说过：“在科学上没有平坦大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登人，才有期望达成光辉顶点。”求实就是脚扎实地，求真务实，谦虚谨慎、介骄介躁、对知识掌握要弄通弄懂，对技术掌握要严守规范、严谨细致、精益求精。一个人力量是有限，团结合作力量是无穷，经过对各个设计步骤确实定让我明白：一粒沙虽小，但无数粒却能汇成无限沙漠；水滴虽小，却你汇成广阔海洋；你一个思想一个方法，她一个思想和方法，相互交流交换就有了两个思想和方法，当今社会竞争日益猛烈，而我们现在就应该学会和她人合作。
当然，在设计实践过程中，我们也收获了愉快、和同学愉快、和老师愉快。因为每当自己或自己和同学完成了此次设计时，或多或少有些欣慰，会感到快乐，同时和老师交流也是一个愉快。即使设计时间和水平有限，但对我以后学习有很大帮助。这只是起点，终点离我们还有一定距离，所以还是需要我们继续努力去走以后路。而我们要把握好每一次机会，错过了就再也找不回来了。

参考文件
                            参考文件
1、 张新义主编．经济型数控机床系统设计．北京：机械工业出版社，1998
2、 余英良主编．机床数控改造设计和实例．北京：机械工业出版社，1994
3、 王贵明主编．数控实用技术．北京：机械工业出版社，
4、 张建纲、胡大锋主编．数控技术．武汉：华中科技大学出版社，
5、 张建明主编．机电一体华系统控制．北京：高等教育出版社，
6、 邓星钟主编．机电传动控制．武汉：华中科技大学出版社，
7、 王爱玲主编．现代数控机床结构和设计．北京：兵器工业出版社，1999
8、 卜云峰主编．机械工业及自动化简明设计手册上下册．北京：机械工业出版社，1999
9、 刘跃南主编.机床计算机数控及应用,北京:机械工业出版社,1997
10李洪主编.实用机床设计手册.沈阳:辽宁科学技术出版社,1999
11、李群芳、黄建主编．单片机微型计算机也接口技术．北京：电子工业出版社，
12、陶晓杰主编.伺服电机用于车床进给系统.制造业自动化，第22期,
13、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
14、李立强等主编.控车床自动转位刀台设计，制造技术和车床，
15、黄玉美主编.床总体方案创新设计，设备管理和维修，
16、孙桓等主编.机械原理，高等教育出版社, 1995
17、机械工程手册.机械工程手册.机械工业出版社,1900
18、刘淑华.浅谈数控车床主传动系统设计.52668网路博览会产业频道,
19、杨波.浅谈机床数控改造.e-works,e-works论坛,
20、大连理工大学工程画教研室主编.机械制图.北京:高等教育出版社,1993

致 谢
此次课程设计顺利完成，离不开各位老师、同学和好友帮助和支持。没有她们帮助和支持，是没有措施独立完成毕业论文，同学之间友谊永远长存。在学习和生活期间，也一直感受着导师精心指导和无私关心，我受益匪浅。在此向各位老师表示深深感谢和高尚敬意。不积跬步何以至千里，本论文能够顺利完成，也归功于各位任课老师认真负责，使我能够很好掌握和利用专业知识，并在设计中得以表现。同时我在网上也搜集了不少资料，才使我毕业论文工作顺利完成。再次向学院全体老师表示由衷谢意。