C6140车床数控化改造课程设计

C6140车床纵、横向进给系统经济型数控改造设计前 言我国目前机床总量为380万余台，而其中数控机床总数只有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国内市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，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，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。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，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要内容之一。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。随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。第一节 设计任务1.1题目：CA6140车床纵、横向进给系统经济型数 控改造设计C6140型普通车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大的普通型车床。经过大量实践证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是技术都是确实可行了。一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的数控车床，同时具有数控控制和原机床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。1.2 任务把普通车床C6140改造成经济型数控车床。主要的任务要求如下所列：（1） 床身上最大加工直径400mm;（2） 最大加工长度1000mm；（3） X方向（横向）的脉冲当量，Z方向（纵向）；（4） X方向最快移动速度，Z方向为；（5） X方向最快工进速度，Z方向为；（6） X方向定位精度，Z方向；（7） 可以车削柱面、平面、锥面与球面等；（8） 安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；（9） 数控系统可与PC机串行通信；第二节 总体方案的确定总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统的软件与硬件选择，进给传动方式和执行机构的选择等。1 将普通车床经数控化改造成经济型数控机床后，不仅要保证它的加工精度，而且要求整个车床的结构简单，制造成本很大的降低。考虑到上面的情况，进给伺服系统选择步进电动机控制的开环控制系统。2 根据任务要求的最大加工直径以及最大加工长度、最快移动速度和最快工进速度，以及数控系统的简单方便，数控系统的CPU选用MCS-51系列的8位单片机。MCS-51系列8位单片机具有下面的特点：功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高的诸多优点。3 为了实现数控系统的所有要求，需对单片机进行以下的操作数据存储器、扩展程序存储器、键盘与显示电路、D/A转换电路、串行接口电路、I/O接口电路等，同时需选择步进电动机的驱动电源。4 要达到任务要求你的精度要求和速度要求，纵、横向的进给传动系统的选用要考虑到摩擦力小，而且要考虑到传动精度高以及传动效率搞的问题，因此传动系统选用滚珠丝杠螺母副；任何零件的装配之间存在这间隙，二位了消除间隙就要考虑如何去消除它来提高系统的精度，因此滚珠丝杠的螺母应有预紧机构。5 步进电动机的选择需要考虑到任务要求里的脉冲当量以及转动惯量，同时考虑到脉冲当量，为了满足要求需要减速齿轮副，既然有了齿轮那就得考虑齿轮间隙，即要有消间隙机构。6 为了提高系统的操作方便性需要四工位自动回转刀架与电动卡盘。第三节 机械系统的改造设计方案3.1主轴系统的改造方案 对CA6140机床进行数控化改造时，选择保留原有的主传动机构和变速操纵机构，因为如果对其进行改造那么任务量太大而且也没多大的帮助。主轴的正转、反转和停止由数控系统负责完成。3.2安装电动卡盘数控化改装的要求就是提高加工效率，同时使车床的操作简单方便，因此工件的定位选用电动卡盘，而KD11250型电动三爪自定心卡盘就可以很好的实现这个要求。卡盘的控制由数控系统完成。3.3换装自动回转刀架考虑到车床的加工精度和自动化程度，如果安装自动回转刀架可以完成一次装夹多道工序，则会满足以上的要求。因此将原有的刀架换成自动回转刀架，刀架选用LD4B-CK6140型四工位立式电动刀架。刀架的自动换刀由相应的数控系统完成。3.5进给系统的改造与设计方案（1） 拆除挂轮架所有齿轮，主轴保持不变。（2） 拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速箱总成。（3） 拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在床鞍的下面安装纵向滚珠丝杠的的螺母座与螺母座托架。（4） 拆除四方刀架与小滑板总成，在中滑板板上方安装四工位立式刀架。（5） 拆除中滑板下的滑动丝杆螺母副，将滑动丝杆靠刻度盘一段锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。（6） 将横向进给步进电动机通过法兰安装到中滑板后部的床鞍上，并与滚珠丝杠的轴头相联。（7） 拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆），更换丝杆的右支承。（8） 改造完成的横向、纵向进给传动系统。第四节 进给传动部件的计算和选型 纵、横向进给传动部件的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机等。4.1脉冲当量的确定步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的轨型元件。对于每一个电脉冲，步进电机都将产生一个恒定的步进角位移，每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角（ 脉冲），每脉冲代表电机一定的转角，这个转角经齿轮副和滚珠丝杠副使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行件的移距，称为脉冲当量或分辨率，选为脉冲。根据所给的设计任务要求，X方向（横向）的脉冲当量为，Z方向（纵向）为。4.2切削力的计算（1）纵向切削力算如果工件的选用材料为碳素结构钢，则工件的许用应力；刀具所用的材料选用碳素工具钢，现选硬质合金YT60，其中T代表碳素工具钢，Y代表硬质；刀具几何参数为：主偏角，前角，刃倾角；切削用量为：背吃刀量，进给量，切削速度。查表得：，；主偏角的修正系数；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为。由经验公式：，算得主切削力;由经验公式：，可求的纵向进给切削力,背向力。（2）横向切削力计算横向主切削力为纵向的一半，所以横向主切削力由经验公式,求得横向进给切削力，背向力。4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型1.纵向： (1) 工作载荷的计算已知移动部件总重量；主切削力，背向切削力，纵向进给切削力。根据，的对应关系，可得：，。 选用矩形-三角形组合滑动导轨，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-29得到下面数据，取，代入,得工作载荷.(2) 最大动载荷的计算 由任务要求知CA6140车床最快的进给速度，当Z向在承受最大切削力时，根据经验选定丝杠基本的导程，在此条件下丝杠转速。要使车床能达到它的使用年限要求，这里选滚珠丝杠的使用寿命，代入,求得滚珠丝杠的使用寿命系数。查查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-30，选用载荷系数，硬度系数，代入式，求得滚珠丝杠的最大动载荷。(3) 初选型号 上面求得了滚珠丝杠最大动载荷，查查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-33，选择FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径（即大径）为，基本导程（导程指的是螺纹上任意一点沿同一条螺纹旋转一周所移动的轴向距离）为，双螺母滚珠总圈数为，精度等级取4级，查表得它的额定动载荷为13200N，而算得的最大动载荷为9703N大于它的额定动载荷所以满足要求。(4) 传动效率的计算将上面选取的丝杠直径和导程，代入，求得丝杠螺旋升角。将摩擦角，代入，得传动效率。(5) 刚度的验算 1） 纵向滚珠丝杠的安装，一端固定用一对面对面组装的推力角接触球轴承固定，另一端采用简单支架的方式支撑。算上丝杠总长和两端接杆的总长，则他们总体的中心距离约为；已知钢的弹性模量；查查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-33得滚珠直径，算得丝杠底径公称直径滚珠直径。算的丝杠横截面积S=1019.64mm。忽略式中的第二项，算得丝杠在工作载荷作用下产生的变形量。2）根据公式式中d。为螺纹中径，求得单圈滚珠数目,而我所选取的丝杠为双螺母，因此滚珠总圈数为，求得滚珠总数量。这里要考虑滚珠丝杠的预紧，轴向预紧力与工作载荷存在关系。则由式,求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量。在设计时考虑了丝杠的预紧力，且为轴向负载的，所以实际变形量可减小一半，则此时。3）将上面求得的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度）。查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-27可得4级精度滚珠丝杠任意轴向行程内行程的变动量允许，而我所改造的滚珠丝杠的总变形量为，小于所要求的最大变形量，因此选的这样的丝杠刚度满足要求。(6) 压杆稳定性校核临界载荷的计算式为可以用它来计算丝杠失稳时的临界载荷。查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-34其支承系数；由丝杠底径，求得截面积惯性矩；压杆稳定安全系数取3（丝杠卧式水平安临界载荷装）；滚动螺母至轴向固定处的距离取最大值。代入式，得临界载荷,远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。由上面的计算可知选用的滚珠丝杠副满足题目要求。4.4同步带减速箱的设计为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，传动链中常采用减速传动。C6140车床纵向减速箱选用同步带传动。选用同步带的优点如下：同步带通常以钢丝绳作负载心层，由于钢丝绳受载后变形极小，任然保持带长不变，故与带轮间不会产生相对滑动，传动比恒定。同步带薄而轻，可用于高速场合，线速度可达到40m/s，传动比可到到10，传动效率可达到98%。当然同步带也存在着制造和安装精度较高，中心距要求较严格的。设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传动的功率；主动轮转速和传动比；传动系统的位置和工作条件等。通过网上查阅资料得到相关改造数据，C6140车床纵向步进电动机的最大静转矩一般都在之间选择。初选电动机型号为130BYG5501,五相混合式，最大静转矩，十拍驱动时步距角为。（1） 传动比的确定已知电动机的步距角，脉冲当量，滚珠丝杠导程，代入式算得传动比（2） 主动轮最高转速 由纵向床鞍的最快移动速度，得出主动轮的最高转速。（3） 确定带的设计功率 预选的步进电动机在转速为时，对应的步进脉冲频率为。当脉冲频率为时，电动机的输出转矩约为，对应的输出功率计算得到为。取，,代入式，可以算得带的设计功率为.（4） 选择带型和节距 根据带的设计功率和主动轮最高转速，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-14选取同步带的型号为L型，它的节距。（5） 确定小带轮齿数和小带轮节圆直径 由于齿轮主要为磨损失效，故小齿轮不宜选用过多的齿数，一般选1520。这里选用小齿轮的齿数，则小带轮节圆直径。当达到最高转速时，同步带速度为，没有超过L型带的极限速度。（6） 确定大带轮齿数和大带轮节圆直径 大带轮齿数，节圆直径。（7） 初选中心距、带的节线长度、带的齿数 初选中心距，圆整后取。则带的节线长度为。查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-13选取标准节线长度Lp=381mm，相应齿数。（8） 计算实际中心距 实际中心距。（9） 校验带与小带轮的的啮合齿数 ，啮合齿数比6大，满足要求。此处表示取整。（10） 计算基准额定功率 所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率：，式中 表示带宽为时的许用工作压力，查表得；表示带宽为时的单位长度的质量，查表得；表示同步带的带速，由上述（5）知。代入式子算得.（11） 确定实际所需同步带宽度 ，式中表示选定型号的基准宽度，查表得；表示小带轮啮合齿数系数，查表得。由上式算得，再根据表选取标准带宽。（12） 带的工作能力验算根据式，计算同步带额定功率的精确值：式中 为齿宽系数：。经计算得,而,满足。因此，带的工作能力合格。4.5步进电动机的计算与选型 （1） 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径，总长（带接杆），导程，材料密度；纵向移动部件总重量；同步带减速箱大带轮宽度，节径，孔径，轮毂外径，宽度；小带轮宽度，节径，孔径，轮毂外径，宽度；传动比。查机电一体化系统设计课程设计指导书表4-1，可得出：滚珠丝杠的转动惯量；床鞍折算到丝杠上的转动惯量；小带轮的转动惯量，大带轮的转动惯量。在设计减速箱时，初选的纵向步进电动机型号为130BYG5501，查表得该型号电动机转子的转动惯量。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：。（2） 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1） 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由式，可知包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有： （4-1）根据式，考虑纵向传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： （4-2）式中 表示对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为；表示步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为。其中： （4-3） 式中 表示纵向空载最快移动速度，任务书指定为；表示纵向步进电动机步距角。为；表示纵向脉冲当量，为。将以上各值带入式（4-3），算得。设表示步进电动机由静止到加速至转速所需时间，纵向传动链总效率；则由式（4-2）求得：，由式可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： （4-4）式中 表示导轨的摩擦因数，滑动导轨取；表示垂直方向的工作载荷，空载时取；表示纵向传动链总效率，取。则由式（4-4）得：，最后由式（4-1），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为： (4-5)2） 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由式可知，包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。相对于和很小，可以忽略不计。则有： （4-6）其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由式计算，本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷,则有：再由式计算承受最大工作负载（）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 最后由式（4-6），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承的负载转矩： （4-7）经上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩： （4-7）（3） 步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢布，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取安全系数，则步进电动机的最大静转矩应满足： （4-8）对于前面预选的130BYG5501型步进电动机，查机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5可知，其最大静转矩，可见完全满足式（4-8）要求。（4） 步进电动机的性能校核1）最大工进速度时电动机输出转矩校核任务书给定纵向最快工进速度，脉冲当量，由式求出电动机对应的运行频率。在此频率下，查机电一体化系统设计课程设计指导书图6-4电动机的输出转矩，远远大于最大工作负载转矩，满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定纵向最快空载移动速度，由式，可以求的在此速下的电动机对应的运行频率。查机电一体化系统设计课程设计指导书图6-4得，此频率下，电动机的输出转矩，大于快速空载起动时负载转矩，满足要求。3）最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度，对应的电动机运行频率。查机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5得步进电机130BYG5501的极限运行频率为，可见没有超出上限。4）起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子自身的转动惯量查机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5可知电动机转轴不带任何负载时最高空载起动频率。由式，可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为：，上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频率时，起动频率选得很低，通常只有(即)。综上所述，纵向进给系统选用130BYG550步进电动机，可以满足要求。4.6同步带传递效率的校核分两种工作情况，分别进行校核。（1） 快速空载起动 电动机从静止到加速至，由式（4-5）可知，同步带传递的负载转矩，传递的功率为。（2） 最大工作负载、最快工进速度由式（4-7）可知，带需要传递的最大工作负载转矩，任务书给定最快工进速度，对应电动机转速。传递的功率为。可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率。因此，选择的同步带功率合格。第五节 绘制进给传动机构的装配图在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型后可以着手绘制进给伺服系统的机械装配图。在绘制机械装配图时，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。（1） 了解原机床的详细结构，查阅床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。（2） 根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号，轴承座的结构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。（3） 考虑各部件之间的定位、联接和调整方法。箱上的联接与定位等。（4） 考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。（5） 在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。第六节 控制系统硬件电路设计设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：1） 接收键盘数据，控制LED显示；2） 接收操作面板的开关与按钮信号；3） 接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；4） 控制X、Z向步进电动机的驱动器；5） 控制电动卡盘的夹紧与松开；6） 控制电动刀架的自动选刀；7） 与PC机的串行通信。图（1）为控制系统的原理框图。CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52；由于AT89S