CA6140普通车床数控化改造中进给传动系统设计论文

通车床数控化改造中进给传动系统设计 C 要 针对大多数企业，具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较低、不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性，又不能马上被淘汰，购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径，但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。企业要在激烈的市场竞争中获得生 存、求得发展，就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品。为此改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，不失为一条投资少、提 升产品质量及生产效率的捷径，是当前许多企业对现有设备更新 换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径。 改造后的车床属于开环控制。由于开环系统自身固有的缺陷不容易保证加工精度。因此，合理选择伺服系统是课题的一个中心环节。步进电机工作原理特性和实际应用正好符合我们的这一需求，所以，改造系统选择步进电机作为双向进给驱 动电动机。步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用本设计在对原有机床机械机构、性能、功能等进行充分研究基础上，主要针对中小型普通车床控制系统进行改造，用单片机系统实现弱电控制强电机，改造了系统的切削工艺，提高了切削精度和效率，对旧车床的数控改造有一定的指导作用，是一种新的尝试，也必将有更加 广阔的应用前景。 关键词 ： 数控化 自动控制 步进电机 or a a of be of of of a NC is an to is be in a of of to in to in in of To of NC a of of is an to NC is to is to a is a of of of to as a is a of an no a of in In to of CM as of in on of to of of of of is a 目 录 摘 要 . . 绪 论 . 错误 !未定义书签。 1 设计方案的确定 . 错误 !未定义书签。 计划任务 . 错误 !未定义书签。 总体方案的确定 . 错误 !未定义书签。 2 传动系统改造与设计 . 错误 !未定义书签。 纵向进给系统的设计与计算 .未定义书签。 横向进给系统的设计与计算 .未定义书签。 3 步进电机的选择 . 错误 !未定义书签。 步 进电机的选择的基本原则 . 5 步进电机的选择 . 6 4 机床导轨改造 . 6 5 四方刀架的选用 . 6 6 结论 . 6 7 致谢 . 7 8 参考文献 . 8 绪 论 数控车床是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。 企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展，就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品，而产品质量的优劣，制造周期的快慢，生产成本的高低，又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前，采用先进的数控机床，已成为我国制造技术发展 的总趋势。 购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径，但是成本太高，很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一 条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。对于本课题，既可以达到完成毕业设计的目的，又可以达到研制新成果，开阔科研门路的目的。 普通车床自动控制系统研制，是利用传统普通车床，结合计算机、电子科技知识，变动手为自动，由粗加工变精加工，实现“变废为宝”的最终目的，成品的主要用处为：既可以作为成品机型加工小批量精度高的零配件，又可以作为直观、实效的机电演示设备，结合理论教学最直接的实现由单一机械产品，经电子化改造变为以机电为动 力最终实现精密机械加工的数控机床。 1 设计方案的确定 计划任务 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 四方刀 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。 总体方案的确定 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。 2 传动系统改造与设计 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 表得： 88 则可计算 表（ 1）所示： 表（ 1） 算结果 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/1=610150002060 =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/ 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 小 ,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： 10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=， =5 10m= f 当 n= at 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 生在快速启动时： f = 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/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 ，其额定动负载为 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= 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。 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： 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 = 3 步进电机的选择 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： 0 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。 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。 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。 4 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。 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。 5 四方刀架的选用 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，工艺性能好等优点达到国内先进水平，在生产中大量使用。现选用常州武进机床数控设备厂生产的 工型系列四工位自动刀架，来作为 适配刀架。 刀架技术参数： 刀位数： 4 电动功率： 60W 电机转速： 1400r/紧力： 1t 上刀体尺寸： 152 152 下刀体尺寸： 161 171 刀架技术指标： 重复定位精度： 工作可靠性： 30000 次 换刀时间： 90 180 270 论 这次毕业设计持续的时间为 16 周，时间相对于我们以前搞设计来说是非常非长的。这次我毕业设计的题目是：把普通车床设计成为数控车床。刚刚接受到这个题目的时候，感觉很难，因为以前从来没有接触过这方面的设计，头脑里一个最基本的概念都没有，后来老师给我们大体上讲了一下基本过程 ，再经过我们两个星期的研究，终于有一点眉目，搞清楚了什么是脉冲当量，什么是滚珠丝杠等等，还有我们为什么要改造那些这些机构。经过几个星期资料搜集，包括车床的说明书等等，设计并进入了正式的轨道。 在生活逐渐自动化的今天，对加工制造的精度和加工效益都提出了很高的要求，因此对机床等加工设备提出了很高的要求。以前单一的靠手工操作的机床，在很大程度上已经不能满足现代化的要求，数控机床的改造已经成为一种必要。但这次机床的改造是在原有的机床上换掉部分零部件，使它具有数控机床的基本功能，如不用手工操作能自动控制进给量等 。但又考虑到改造成的是经济型数控车床，所以在选材等方面，必须考虑到经济这一重要问题。因此在这次设计中有些选型可能精度不是很高，但是考虑到经济这一个重要的前提，就选择了相对比较实惠的型号。 因为我们以前的基础知识掌握得不牢固，在这次设计中确实是遇到了很多的问题，但在这过程中，我们又学会了很多东西，在以前的小设计中，有些能马马虎虎过去的问题，就糊里糊涂过去了，可这次是一切正规化，不能有半点含糊，因此压力又大了很多，但是只要有一个明确的目标，乐在其中，特别是把以前学过的知识又温习了一下，而且把很多门课程都串 联在一起，形成一个大的框架，这样确