CA6140车床进给系统的数控化改造论文

目录 序言 一、 设计方案的确定 一） 设计任务 二） 总体设计方案的确 定 、机械部分改造与设计 （一） 纵向进给系统的设计与计算 二） 横向进给系统的设计与计算 、步 进电机的选择 一）步进电机选用的基本原则 二）步进电机的选择 、机床导轨改造 、自动转位刀架的选用 、小结 、参考文献 2 序言 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。 中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床 进行改造，实现数控化、自动化。 目前机床 数控 化改造就是结合生产实际 和 我国国情， 在满足 实际加工需求的前提下，尽可能 降低成本。 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。 因此 特别适合在 生产 设备中 普通机床占有较大比重的企业， 适合在生产第一线大面积推广。 数控机床由机床主体、主轴传动、伺服进给、数控装置、辅助装置等组成。所以机床数控化改造的主要内容有主轴传动改造、进给系统改造、加装数控装置等。其中进给系统改造对机床的改动 最 多，是机床数控化改造中最重要的环节，它直接影响到改造后的机床的加工精度。可见进给系统改造是机床数控化改造成功的关键所在。 本设计题目主 要围绕 机床进给系统的数控化改造 而展开，其改造的 机床 是针对普通车床 。 车床是一种加工效率高，操作性能好，社 会拥有量大的普通车床。实践证明，把此类车床改造为数控车床，已经得 到了良好的经济效果。床 进给系统的数控化改造 主要内容如下： 普通车床的 X 轴和 Z 轴均由同一电机驱动，走刀运动 是 经进给 箱传动 丝杠到 溜板箱，获得不同的 工件螺距即 Z 轴运动；走刀运动是经进给箱传动光杆到溜板箱，获得不同的进刀量即 Z 轴运动 和 X 轴运动 。 车床 进给系统数控化改造要拆除进给箱总成、 溜板箱 总成，改用进给伺服（或步进）传动链分 别代替。 具体体现为： Z 轴：纵向电机减速箱（或联轴器）纵向滚珠丝杠 溜板箱 ，纵向按数控指令获得不同的走刀量和螺距。 X 轴：横向电机减速箱（或联轴器）横向滚珠丝杠横滑板，横向按数控指令获得不同的走刀量。 改造后整个传动链的传动精度在保证机床刚性的前提下，与滚珠丝杠副的选择和布置结构形式、机床导轨的精度情况等有很大的关系。 3 一、设计方案的确定 （一）设计任务 本设计任务是 普通车床进行 系统 数控 化改造。利用微机对纵横进给系统进行开环控制， 纵向脉冲当量为 冲，横向 脉冲当量为 冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。 进给系统的机械改造设计。根据机床的运动精度，改动尽量少，且保证加工精度的要求，运动的平稳。 （二） 总体设计方案的确定 考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈，故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。本车床的纵向、横向两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节，直接采用了步进电机减速箱（或联轴器）滚珠丝杆的传动 方案。拆除原来的进给箱、丝杆等，增加少量的机械附件，就可安装 步进 电机及滚珠丝杆螺 母副。 4 二、机械部分改造与设计 （一）纵向进给系统的设计与计算 1、 纵向进给系统的设计 车床的 纵向进给 改造 设计 一般是步进电机经减速 后 驱动 滚珠 丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架 台 左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。对车床改造来说， 外观不必象产品设计要求那么高，而从改造方便、实用方面来考虑，现把步进电机放在纵向丝杠的左 端 ，即进给箱部位。 2、 纵向进给系统的设计计算 已知条件： 工作台重量： W=9000N (根据图纸粗略计算 ) 时间常数： T=25珠丝杠基本导程： 程： S=1130冲当量： p=距角： =： m/ 1） 切削 力 计算 由 实用机床设计手册可知： 切削功率 ： K 式中 N 电机功率，查机床说明书， N= 主传动系统总效 率，一般为 取 = 进给系统功率系数，取 K= 则： 因为 ： 120 FZ=v 切削线速度，取 v=100m/所以： ) 由金属切削原理可知： 主切削力 z 5 查表得： 88 则可计算 表（ 1）所示： 表（ 1） ap(2 2 2 8 8 8 f(Z(N) 1125 1524 1891 1687 2287 2837 当 520N 时，切削深度 走刀量 f=此参数做为下面计算的依据。 从实用机床设计手册中可知，在一般外圆车削时： （ ： Z=3525=Y=Z=3525=2115N （ 2） 滚珠丝杠设计计算 滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。 综合 车床 导轨 丝杠的轴向力： P=f () 式中 由于使用的是矩形导轨，根据机床设计手册查出 K=f =为 则 ： P=00)= 1 强度计算 寿命值 ： 11060 所以： 01000 取工件直径 ： D=80 查表得 ： T I=15000h（自动控制机床及机床通常的取值） 所以 ： =20r/6 10150002060 =18 最大动负载 ： Q=Hw 运转系数值表 查表取 ： 运转系数 硬度系数 则 ： Q=318 1=据最大动负载 Q 的值和原机床参数， 可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 列， 选择 型号为 6 5 B 的滚珠丝杠 ， 公称直径为 32程为 6 珠列数为 5 列， 额定动载荷是 10689N，所以强度 够用。 2 效率计算 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为： =)( 摩擦 角 =10 螺旋升角 =3 25 2 ： =)10253( 253 tg 3 刚度验算 滚珠丝杠受到工作负载 P 引起的导程的变化量 E=166N/ 7 滚珠丝杠截面积 ： F=(2d)2 =（2 ： = 10 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 可忽略 ,即： L= 所以： 导程变形总误差为 = 0100=10=m/m 查表知 B 级精度丝杠允许的螺距误差（ 1m 长）为 25 m/m，故刚度足够。 4 稳定性验算 由于机床原丝杠直径为 32选用的滚珠丝杠直径为 32 承方式不变，所以稳定性不存在问题。 （ 3）齿轮及转距的有关计算 1 有关齿轮计算 传动比： i=3600=取 齿轮齿数： 2 0 模数： m=2 b=20 =20 分度圆直径： d1=m 32=64mm m 40=80顶圆直径： =268mm =84心距： 同步带轮 ，设计中心距 =112 2 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： 2W=()2 90= 2= 2 丝杠的转动惯量： 108 式中： D 丝杠的名义直径， D=1 丝杠两固定端的间距， 50： 10150= 2= 2 齿轮的转动惯量： 10( 2 则： 102= 2= 2 1084 2= 2= 2 电机转动惯量很小可以忽略， 因此总的转动惯量： J=21i ( 2= 2 3 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 ： M=大切削负载时所需力矩 ： M=速进给时所需力矩 ： M= 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。 0m 式中： T 为时间常 数， T=25 10 n= Ma =5 10m= f 当 n= 9 01000i =10 00 = 10m= f 2 00=2 0 当 0= f = = f =2 0(12) 当 0= ， 预加载荷 10=6)1( 200 = 5 2 = f = Mt=2 00=76 = f = 所以 , 快速空载启动时所需力矩： M= f = 切削时所需力矩： M= f = 快速进给时所需力矩： M= f = 由以上分析计算可知， 所需最大力矩 f = 10 （ 二 ） 横向进给系统的设计和计算 1、 横向进给系统的设计 车床的 横 向进给改造 设计比较简单 ,一般是步进电机经联轴器直接 驱动滚珠丝杠 ,使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘 将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。 2、 横向进给系统的设计和计算 由于横向进给系统的设计和计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。 已知条件： 工作台重（根据图纸粗略计算） W=40 f=400N 时间常数 T=25珠丝杠基本导程 左旋 行程 S=330冲当量 p=距角 =（ 1） 切削力计算 横向进给量为纵向的 1/2 1/3，取 1/2，则切削力约为纵向的 1/2： f=切断工件时： Z= f= 2） 滚珠丝杠设计计算 1 强度计算 对于燕尾型导轨： P=f (W) 取 ： K= f = ： P=40) = f=工件直径： D=80 走刀量： f=： 01000= =30r/11 寿命值 ： 111060 610150003060 =27 最大动负载 ： Q= = = f=据最大动负载 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 珠丝杠公称直径为 20，型号为 4 5 额定动负载为 8393N，所以强度足够用。 2 效率计算 螺旋升角 ： =3 38 摩擦角 ： =10 则传动效率 ： =)( tg 01833( 383 tg 3 刚度验算 滚珠丝杠截面积： F=(2d)2 =（2 珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 ： 25 6 =10 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 小，可忽略， 即 ： L= 所以导程变形总误差为 ： = 6 0 01 0 0 6查表知 E 级精度丝杠允许的螺旋误差（ 1m 长）为 15 m/m，故刚度足够。 4 稳定性验算 由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。 (3)转矩有关计算 1 传动惯量计算 由于联轴器转动惯量很小，可以忽略，此不进行计算。 12 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： 180( 22 2 丝杠的转动惯量： 101024 50= 2 由于电机转动惯量很小，可以忽略，此不进行计算。 因此，总的转动惯量： J= 2 4 所需转动力矩计算 m 5 04 11 0 0 00m a x rL 500 . 6 8 4m a x m= f 0 01 0 0 0001 DL vf iL 主=29r/ = m= f 当 0= f =： Mf=2 00=2 0 = f = m 当 0=： ) . 1 2 5)1(6 220 f = m 82 0 f = m 所以，快速空载启动时所需转矩： M= f = 切削时所需力矩： 13 M= f = 快速进给时所需力矩： M= f = 从以上计算可知，最大转矩发生切削时： f = 三、步进电机的选择 （一）步进电机的选择的基本原则 合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下： 1、 步距角 步距角应满足：中 i 传动比 系统对步进电机所驱动部件的最小转角。 2、精度 步进电机的精度可用步矩误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理 论转角之差的最大值。用积累误差衡量精度比较实用。所以选用步进电机应满足 Q i s 式中 Q 步进电机的积累误差； s 系统对步进电机驱动部件允许的角度误差。 3、转矩 为了使步进电机正常运行（不失步、不越步），正常启动并满足对转速的要求，必须考虑： （ 1）启动力矩 一般启动力矩选取为： 04 式中 电动机启动力矩； 电动机静负载力矩。 根据步进电机的相数和拍数，启 动力矩选取如表（ 2）所示。 步进电机的最大静转矩，是步进电机技术数据中给出的。 表 (2) 步进电机相数、拍数、启动力矩表 运行 方式 相数 3 3 4 4 5 5 6 6 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12 2）在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。 1 启动频率 由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： m 式中 极限启动频率； m 要求步进电机最高启动频率。 （二）步进电机的选择 1、 纵向进给系统步进电机的确定 为满足最小步矩要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：以步进电机最大静转矩 步进电机最高工作频率 3 0 060 m a x z 综合考虑，查表选用 110直流步进电机，能满足使用要求。 15 2、 横向进给系统步进电机的确定 = 32 电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知： 以，步进电机最大静转矩 步进电机最高工作频率 m a x z 为了便于设计和采购，仍选用 110直流步进电机，能满足使用要求。 四、机床导轨改造 卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床导轨面运动的。导轨就是支承和导向，即支承运动部件并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定的方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工精度、承载能力和使用性能。 数控机床上，常使用滑动导轨和滚动导轨。滚动导轨摩擦系数小，动静摩擦系数接近，因而运动灵活轻便，低速运行时不易产生爬行现象。精度高，但价格贵。经 济型数控一般不使用滚动导轨，尤其是数控改造，若使用滚动导轨，将太大增加机床床身的改造工作量和改造成本。因此，数控改造一般仍使用滑动导轨。 滑动导轨具有结构简单，刚性好，抗振性强等优点。普通机床的导轨一般是铸铁或铸铁 淬火钢导轨。这种导轨的缺点是静摩擦系数大，且动摩擦系数随速度的变化而变化，低速时易产生爬行现象，影响行动平稳性和定位精度，为克服滑动导轨的上述缺点，数控改造一般是将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。 贴塑导轨摩擦系数小，且动静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、抗咬伤能力强、加 工性和化学性能稳定，且 有良好的自润滑性和抗振性，加工简单，成本低。 16 目前应用较多的聚四氟乙稀（ 塑软带，如美国生产的 带材料，次、此种软带厚度为 、 、 等几种规格。考虑承载变形，宜厚度小的规格，如果考虑到加工余量，选用厚度为 宜。 贴塑软带粘贴工艺非常简单，可直接粘结在原有的滑动导轨面上，不受导轨形式的限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘结。粘结前按导轨精度要求对金属导轨面进行加工修理。根据导轨尺寸长度放大 3 4 ，切下贴塑软带。金 属粘结面与软带结面应清洗干净，用特殊配制的粘合剂粘结，加压固化，待其完全固化后进行修整加工。作为导轨面的表面，根据需要可进行磨、铣、刮研、开油槽、钻孔等加工，以满足装配要求。 五、自动转位刀架的选用 自动转位刀架的选用是普通机床数控改造机械方面的关键，而由数控系统控制的自动转位刀架，具有重复定位精度高，工件刚性好，性能可靠，使用寿命长以及工艺性能好等优点。 经济型数控车床的自动刀架，在生产中最常用的是常州武进机床数控设备厂生产的系列刀架，具有重复定位精度高，工作刚性好，使用寿命长，工艺性能