大专毕业设计CA6140普通车床的数控化改造设计

茂名职业技术学院1CA6140普通车床的数控化改造设计摘要CA6140 普通车床是金属切削加工中最常用的一类机床，当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向移动和横向移动，车床能加工出内外圆柱面，圆锥面，端面，螺纹面等。普通车床刀架纵向和横向的进给运动由主轴的回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杆或丝杆带动溜板箱，纵溜板，横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，如果要改变参数，则要停车进行操作。对 CA6140 普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改造成为 CNC 装置控制的能独立运动的进给伺服系统，将刀架改造成能自动换刀的回转刀架。这样，利用CNC 装置，车床就可以按预先输入的加工程序进行切削加工。数控化改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动切削，从而提高生产效率和加工精度，还能适应小批量，多品种复杂零件的加工。关键词：进给伺服系统，回转刀架茂名职业技术学院2CONVENTIONAL LATHES NUMERICAL CONTRAL TRANSFORMATION DESIGNSABSTRACTThe conventional lathe is in the metal removal processing a most commonly used kind of engine bed, when the work piece rotates along with the main axle, through tool rests longitudinal shift and the derailing, the lathe can process in the outer annulus cylinder, the circular conical surface, the end surface, the flank of thread and so on. The conventional lathe tool rest longitudinal and the crosswise feed motion after hangs a round transmission by main axles gyroscopic motion to come, after gear box speed change, leads the apron by the polished rod or the lead screw, vertical apron, horizontal apron migration. To feed parameter must depend on the presetting manually, if must change the parameter, then must stop carries on the operation. Makes the numerical control transformation to the conventional lathe, is mainly transforms into longitudinal and the cross feed system the CNC installment control to be able the independence movement to feed server, transforms the tool rest can trade knifes turret saddle automatically. Thus, uses the CNC installment, the lathe may according to the processing program which inputs in advance carry on the machining. After the numerical control transformations lathe may process each kind of shape complex rotation components, and can realize the multi-working procedures to cut automatically, thus enhancement production efficiency and working accuracy, but can also adapt the small batch, multi-variety complex parts processing.Key words: to feed server, turret saddle目 录茂名职业技术学院3前 言 .1第 1 章 数控机床总体设计 .41.1 总体方案设计 .41.2 设计参数 .51.3 实施方案 .5第 2 章 进给传动链设计计算 .62.1 主切削力的计算及其切削分力的计算 .62.1.1 计算主切削力 zF.62.1.2 计算各切削分力 .62.1.3 导轨摩擦力的计算 .6第 3 章 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .73.1 横向滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 .73.1.1 按预期工作时间估算你滚珠丝杠预期的额定动载荷 .73.2 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 .83.2.1 滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷 Fc 的校验 .83.2.2 滚珠丝杠螺母副临界转速 nc的校验 .83.2.3 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验 .93.3 计算机械传动系统的刚度 .93.3.1 计算滚珠丝杠的拉压刚度 Ks.93.3.2 计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度 Kb.103.4 机械传动系统的动态分析 .113.4.1 计算丝杠-工作台纵向震动系统的最低固有频率 nc。.113.4.2 计算扭矩震动系统的最低固有频率 nt.123.5 机械传动系统的误差计算与分析 .123.5.1 计算机械传动系统的反向死区 .123.5.3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 .133.6 确定横向滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 .133.6.1 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级。 .13茂名职业技术学院43.6.2 确定滚珠丝杠螺母副的规格型号。 .143.7 纵向滚珠丝杠螺母副的选择 .143.7.1 滚珠丝杠的承载能力的计算 .143.7.2 纵向滚珠丝杠螺母副的确定 .17第 4 章 驱动电动机的选型与计算 .184.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量 .184.1.1 计算转动惯量 .184.2 计算折算到电动机主轴上的负载力矩 .194.2.1 计算折算到电动机轴上的切削负载力矩 Tc.194.3 计算折算到电动机轴上的加速力矩 Tap.2044 计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩.204.4.1 计算空载启动力矩 T .204.4.2 计算快进力矩 T .214.4.3 计算工进力矩 TGJ.214.5 选择横向驱动电动机的型号 .214.5.1 选择驱动电动机的型号 .214.5.2 确定最大静转矩 Ts.214.5.3 验算惯量匹配 .224.6 纵向电动机的选型与校验 .224.6.1 传动级数与传动比的确定 .224.6.2 计算负载惯量 .235.3 确定纵向步进电动机的型号 .24结 论 .26谢 辞 .27参考文献 .28茂名职业技术学院1前 言数控技术是利用数字化信息对机床及加工过程进行控制的一种方法，是发展最快的工业技术之一。数控机床交较好地解决了复杂精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。1952 年，美国麻省理工学院最先成功的研制出一套三坐标联动数控铣床，1959 年由美国克耐.杜列克公司发明了带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心” 。1960 年，出现了小规模的集成电路，使数控系统的可靠性得到进一步的提高，数控发展到第三代。1967 年，英国首先出现了 FMS 柔性制造系统。1974 年，美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统的数控机床，多年来得到飞速发展和广泛的应用，这就是第五代数控MNC。20 世纪 80 年代，国际上又出现了柔性制造单元 FMC。我国从 1958 年开始到 20 世纪 60 年代中期处于研制开发时期。1965 年，国内开始研制晶体管数控系统。70 年代初研制成功 X53K-1G 立式数控铣床，CJK-18 数控系统和数控非圆齿轮插齿机。80 年代，我国从日本 FANUC 公司引进 5、7、3 等系列的数控系统和直流伺服电机、直流主轴电机技术，以及从美、德等国引进了一些新技术。1995 年我国数控机床品种有了新的发展，品种增多，规格齐全。现在，我国已建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。2004 年，我过机床工具行业产品销售收入 1032 亿元，大约是 2000年 507 亿元的 2.3 倍，平均年增长 23%，其发展远高于机床工具全行业的平均发展速度。而机床产量从“九五”计划末期的几千台，增长到 2001 年的 17521 台，2002 年的 24803台，2003 年的 36813 台，2004 年的 51861 台。机床品种也从“九五”期间的 128 种增长到 1500 多种。国产数控机床大部分达到了国际 90 年代初期或中期水平。 “十五”期间，我国在高端数控机床关键技术研究方面取得了重大突破。目前数控机床在我国国民经济的各行业发挥着越来越重要的作用，数控机床已经成为企业技术改造的首先设备之一。我过也已成为数控机床的生产大国、消费大国和进口大国。国民经济的各个行业需要大量数控机床的开发人才和应用人才。虽然我国数控技术取得了巨大发展，但与世界最先进的技术水平还有一定的差距。国外数控机床发展很快，呈现出高速、高效、高精度高、高可靠性、多轴控制、工艺复合、集成化、智能化、网络化和环保化发展的趋势，我国数控技术的发展与世界的差距主要体茂名职业技术学院2现在以下几个方面：1，在技术水平上，国外对加工中心的研究已经转向高速、精密、多轴、复合、智能和环保等技术的研究。而我国加工中心的总体技术水平与国外同类产品的先进水平相比大约落后 10-15 年，在“高、精、尖”技术水平方面则更大。2，在产品结构上，高端市场（即高速、精密、多轴、复合加工中心市场）基本上被美国、日本和欧洲发达工业国家所垄断，国内开发的五轴联动数控机床、复合加工中心、高速加工中心等产品，虽然已经投入使用，但多数产品与商品化尚有一段距离，而且在技术水平上和性能参数上与欧、美、日等地的产品还有较大差距。低端市场（即普及型数控机床市场）受到周边的日本、韩国和我国台湾地区产品的冲击较大，形成激烈竞争。多年来，国产数控机床产量小、进口产品量大的局面一直存在。3，产品开发能力上，国内生产企业缺乏对产品竞争前数控技术的深入研究和开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强，集中体现在：产品开发能力较弱，对产品标准规范的研究、制定滞后，技术创新能力不强。导致开发出的产品技术先进性不明显，市场针对性不强，缺乏市场竞争力。4，产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小。从总体上看，加工中心还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及配套能力较低；产品质量不高，主要体现在可靠性不高，商品化程度不足，关键功能部件没有自己配套的主渠道；数控系统的推广应用还不够等等。对于这些问题，首先国家政策要支持数控机床产业化基地建设；二是加强功能部件的开发制造能力；三是提高高档数控机床开发能力。同时，现如今的主要任务有以下四点：1，加快开发高档数控机床品种，缩短与世界先进水平的差距，提升我国机床工具行业的整体水平，对市场急需的高档数控机床品种，要集中力量，重点突破，加大科技投入，加强基础研究与开发研究，提高原始创新和集成创新能力，掌握一批高档数控关键产品开发的核心技术，推出一批高档数控机床品种，满足重点用户急需，精心培育高档数控机床市场。2，积极促进功能部件产业化，培育一批功能部件的龙头企业，加大政策支持力度，重点开发高档数控系统、高速主轴单元、精密滚动功能部件、动力刀架、精密转台、高速导轨防护装置等高水平的功能部件，加快产业化进程，培育国产品牌，实现功能部件与数控机床的同步发展。3，进一步发展普及型数控机床，我国普及型数控机床技术已经成熟，产业化迫在眉睫，急需进一步提高可靠性和质量，及时供应市场，提高产业集中度，实现稳定、可靠、快速的满足市场，以提高制造能力和生产集中度为重点，支持骨干企业快速发展。4，努力提高国产数控机床市场占有率是今年来的重中之重，要从质量、可靠性、服务等方面入手，创品牌、扩市场、挡进口、争出口。现在我国工科院校基本上都开设了数控课程，学生在课堂上学习了数控技术的基本内茂名职业技术学院3容后，对数控机床的基本原理、基本结构和有关知识都有了基本了解。如何把我们所学的理论知识加以巩固和应用，做到理论联系实际，正是本课题的重点训练内容和目的，通过本课题的研究可以培养我们的实际应用能力和创新能力，而我们设计的主要内容有以下几点 1，加强数控机床结构设计的模块化训练。任何一类机床都是由若干基础件、标准件、功能部件和数控系统组成。通过实施数控机床结构设计的模块化训练，可以进一步理解数控机床的工作原理、组成部分和机床整机布局形式，帮助学生建立数控机床的整体概念和各功能模块在数控机床中的作用。2 加强数控机床功能部件的选型与设计计算的训练。数控机床是由各种功能部件、数控系统的集成和创新，能否正确选用这些功能部件与整台数控机床的设计是否成功有很大关系。而这些功能部件的选择又与力学分析和大量的工程计算分不开。通过实施数控机床功能部件的选型与设计计算的训练，可以有效促进理论联系实际，巩固课堂上学到的知识并加以应用，必将取得事半功倍的效果。3，加强数控机床的整机设计中应该把握的主要问题的训练。包括整机布局形式，导轨形式的选择及支撑件的结构设计，滚珠丝杠螺母副及其支承方式的选择，主传动系统的选择及其设计，还有数控系统与其辅助装置的选择与设计等等。关键是以下几个方面：（1）在给定条件下采用什么洋的整机布局形式来保证机床具有足够的整机刚度，使机床具有较好的动态特性，以获得较高的精度。 （2）机床采用什么样的导轨形式来减小阻尼，使机床移动部件的导轨摩擦力尽量小，在获得机床移动部件具有较高灵敏度的同时也提高坐标轴的定位精度。 （3）机床设计时采用什么样的结构形式， 包括功能部件和数控系统的选择，来保证机床工作时具有较高的可靠性。 （4）采用什么样的技术措施来使机床具有较高的技术指标，如定位精度、主轴转速、机床移动部件的快速移动速度等等。通过对学生实施数控机床的整机设计中应该把握的主要问题的训练，可以使学生在课程设计中体会到数控机床具有较高的加工精度和效率的原因，同时也体会到 CNC 装置的最小设定单位，数控机床是怎样在设计中体现的，以培养对整机和部件设计能力。第 1 章 数控机床总体设计1.1 总体方案设计总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式、伺服系统的类型、计算机（CNC 装置）以及传动方式的选择。茂名职业技术学院4一般应根据设计任务和而要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。(1) 数控系统的选择普通车床数控化改造后应具有定位、快速进给、直线插补、圆弧插补、暂停、循环、和螺纹加工等功能，因此，普通车床数控化改造的数控系统较多，如西门子公司的SIEMENS802S 型系统、华中数控公司的世纪星 21/22 型系统、广州数控公司的 980T 型系统等等。(2)伺服系统的选择普通车床数控化改造后一般为经济型数控机床。在保证具有一定加工精度的前提下，从改造的成本考虑，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统采用以步进电机为驱动装置的开环系统为宜，开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。当然，也可以采用以伺服电动机为驱动装置半闭环系统。这主要取决于加工精度的要求。(3)功能部件的选择这主要是滚珠丝杠及其支承方式的选择、电动回转刀架的选择等等(4)机械传动方式为实现机床数控要求的分辨率，采用步进电动机经齿轮减速再传动丝扛，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝扛螺母副。同时为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。(5)结构设计与电气设计这主要是纵向进给传动系统、横向进给传动系统的设计和机床导轨的维护，一般采用贴塑导轨以减小摩擦力。机床电气设计包括机床原理图设计和 PLC 梯形图设计等等。在上述方案的基础上，若条件允许，可以进一步对普通床的主传动系统进行改造，以实现车床主传动系统的自动调速与控制，使加工过程实现全自动化。1.2 设计参数设计参数包括车床的部分能技术参数和车床拟实施数控化改造所需要参数。CA 6140 车床改造的精度及各项参数如下：加工能够最大直径：在床面上，400mm；在床鞍上，210mm。最大加工长度：1000mm。茂名职业技术学院5行程：纵向，1000mm；横向，1200mm。快速进给：纵向，2400mm/min；横向，1200mm/min。溜板及刀架质量：纵向，81.663kg；横向，61.22kg。最大切削进给速度：纵向，500mm/min；横向，250mm/min。主电动机功率：7.5kw。定位精度：0.04mm/全行程。重复定位精度：0.0166mm/全行程。程序输入方式：增量值、绝对值通用。控制坐标数：2.脉冲当量：纵向，0.01mm/脉冲；横向，0.005mm/脉冲 。1.3 实施方案进给系统数控化改造的主要部件有：挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板、刀架等。现拟定能够改造方案如下。(1)挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲编码器。(2)进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电动机与齿轮减速总成。丝杠、光杠和操纵杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠。滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾坐端原来装轴承座的部位。(3)溜板箱部分：全部拆除，在原处安装滚珠丝杠的螺母座，丝杠螺母固定在其上。在该处还可以安装部