机械毕业设计论文—普通车床的数控化改造

毕业设计论文 大全： /susuh15 1 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： 毕业设计论文 大全： /susuh15 2 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 毕业设计论文 大全： /susuh15 3 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 毕业设计论文 大全： /susuh15 4 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。 毕业设计论文 大全： /susuh15 5 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： 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； 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； 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 : 毕业设计论文 大全： /susuh15 6 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 可放毕业设计论文 大全： /susuh15 7 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12 纵向结构图1-滚珠丝杠副 2-步进电动机毕业设计论文 大全： /susuh15 8 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： 0.01mm/step 步距角： 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=N K 式中 N-电动机功率，查机床说明书， N=4Kw 主传动总效率，一般为 0.6 0.7，取 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=CFz pfyFzKpz 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=(0.150.7)Fz 毕业设计论文 大全： /susuh15 9 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=0.150.18, 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， 为 tan/tan(+) 式中 摩擦角 =10, 螺旋升角 =325. =tan325/tan(325+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 L1= PL0/EF 毕业设计论文 大全： /susuh15 10 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 L1 = 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 L2很小，可忽略，即： L1.所以导程变形总误差厶为 = LX100/L0=(100/0.6X5.9X10-6)=9.8 m/m 查表知 E级精度丝杠允许的螺距误差 (1m长 )为 15 m/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。 齿轮及转矩的有关计算。有关齿轮计算：传动比为 i= L0/360 p=0.75X6/360X0.01=1.25 故取 Z1=32 Z2=40 m=2mm b=20mm =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 毕业设计论文 大全： /susuh15 11 J1=(180p/3.14 )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 毕业设计论文 大全： /susuh15 12 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 L0/2X3.14X 2=fW L。 /2X3.14X i 当 =0.8 f=0.16 则 Mf=0.16X80X0.6/2X3.14X0.8X1.25=12.23 N.cm M0= P0 L0（ 1- 02） /2X3.14X i 当 0=0.9 时，预加载荷 P0=FX/3，则 M0= FX L0（ 1- 02） /6.X3.14X i =76.38X0.6X（ 1-0.92） /6X3.14X0.8X1.25 =4.62 N.cm Mi=Fx L0/2X3.14X 2 =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 毕业设计论文 大全： /susuh15 13 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： P=0.005mm/step 步距角： 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 1/21/3，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 毕业设计论文 大全： /susuh15 14 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 20mm，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 =338. 摩擦角 =10 则传动效率 tan/tan(+) tan338/ tan(338.+ 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 L1=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 L2很少，可忽略， 毕业设计论文 大全： /susuh15 15 即 L L1 所以，导程变形总误差为 100L/ L0 5.96x10-6x100/0.4 14.9 m/m 查表知 E级精度丝杠的允许的螺距误差（ 1m长）为 15 m/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 齿轮及转矩的有关计算。有关齿轮计算：传动比为 i=L0/360 p=0.75X4/360X0.005=1.67 故取 Z1=18 Z2=30 m=2mm b=20mm =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 毕业设计论文 大全： /susuh15 16 J1=(180p/3.14)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 L0/2X3.14Xi=0.2X30X0.4X3/2X3.14X0.8X5 =0.028 N.m M0= FX L0（ 1- 02） /6.X3.14Xni=0.011 N.m Mt= Fr L0/2X3.14X i=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 毕业设计论文 大全： /susuh15 17 =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。 毕业设计论文 大全： /susuh15 18 图 2 横向进给系统图 12 横向结构图1-步进电动机 2-滚珠丝杠副毕业设计论文 大全： /susuh15 19 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/60p=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/60p=2000/60X0.01=3333.3Hz 为了便于设计和采购，仍选用 110BF003 型