车床数控化改造设计论文

目录 一、设计题目 . 2 二、设计任务书 . 2 三、总体方案设计 . 2 四、横向步进电机电机及传感器选型 . 3 （一）横向进给系统的设计计算 . 3 （二）增量式光电编码器的结构 . 6 五、机械系统设计 . 9 六、绘制进给传动机构的装配图 . 9 七、心得 . 9 八、参考文献 . 9 九、附录 . 10 一 设计题目 题目：车床数控化改造设计 对卧式车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。 二 设计任务书 任 务：将一台卧式车床改造成经济型数控车床。主要技术指标： 1床身上最大加工直径 110 2最大加工长度 125 3 冲， 冲； 4 75mm/50mm/ 5 0mm/00mm/ 6 7安装螺纹编码器，最大导程 3 8安装四工位立式电动刀架； 9纵、横向安装限位开关； 三 总体方案设计 由于是经济 性数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求前提下，对机床改动尽可能少，以降低成本根据微型车床有关资料以及数控机床的改造经验，确定总体方案为：采用工控微型机对数据进行计算处理，由 I 一级齿轮变速箱减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；由 I 加工螺纹在主轴上加装主轴脉冲编码器车床刀架进 给系统进行数控改造，总体方案如下： （ 1）保留右刀架机械结构和手动加工操作功能不变，将右刀架保留作常规加工或备用。 (2)在保留左滑座体、左刀架体和左滑枕的基础上对左刀架作简易数控化改造，改造时拆除原机床的进给箱及 伺服电机减速齿轮箱安装在原机床的尾端，采用一级齿轮减速。将原来的 珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，如图 2所示。 图 2 四 横向步进电机电机及传感器选型 （一）横向进给系统的设计计算 已知条件： 工作台重量 未找到引用源。 3轴器质量 错误 !未找到引用源。 =间常数 未找到引用源。 25杠基本导程 错误 !未找到引用源。 6程 未找到引用源。 140冲当量 错误 !未找到引用源。 冲 步距角 错误 !未找到引用源。 快速进给速度 错误 !未找到引用源。 1m/ 1）切削力计算 横向进给量为纵向的 错误 !未找到引用源。 ，取 错误 !未找到引用源。 ，则切削力约为纵向的 错误 !未找到引用源。 在切断工件时： （ 2）丝杠设计计算 丝杠副直径 错误 !未找到引用源。 计算 错误 !未找到引用源。 N 取直径 错误 !未找到引用源。 。 （ 3）转矩计算 传动比 错误 !未找到引用源。 转动惯量计算： 工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量 联轴器： 丝杠的转动惯量： 电动机转动惯量很小可忽略。 因此，总的转动惯量： 所需转矩计算： 空载时等效摩擦转矩 错误 !未找到引用源。 为 车削加工时的等效负载转矩 错误 !未找到引用源。 为 （ 4）转速的计算 通过上述结构模型参数，我们可以计算出丝杠转速（ 错误 !未找到引用源。 ）与电机轴转速（ 错误 !未找到引用源。 ）。 丝杠转速： 错误 !未找到引用源。 电机轴转速： 错误 !未找到引用源。 （ 5）负载恒速运行功率： 负载加减速运行功率： 电动机类型和结构型式的选择由于不同的机床要求不同的主轴输出性能 (旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等 )，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。表 1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。 各种交流主轴系统进行对比、分析。 (表 1) 项目 内容 高性能 低速区要有足够的转矩 宽恒功率范围 ,并在高速范围内保持一定转矩 高旋转精度 高动态响应 高加减速 ,起制动能力 具有强鲁棒性 ,能适应环境条件和参数变化 高效率 ,低噪声 低价格 低购买价格 ,低维护价格 ,低服务价格 通用要求 耐用性 ,可维护性 ,安全可靠性 根据以上计算结果， 横向步进电机选 号。 主要参数：步距角 静态相电流 持转矩 位转矩 动惯量 量 700g。 （二）增量式光电编码器的结构 增量式编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量。增量式光电编码器结构示意图如图 1所示。光电码盘与转轴连在一起。码盘可用玻璃材料制成，表面镀上一层不透光的金属铬，然后在边缘制成向心的透光狭缝。透光狭缝在码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等。这样，整个码盘圆周上就被等分成量式光电码盘也可用不锈钢薄板制成，然后在圆周边缘切割出均匀分布的透光槽。 2增量式编码器的工作原理 光电编码器是一种旋转式位置传感器，在现代伺服系统中广泛应用于角位移或角速率的测量，它的转轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动，能将被测轴的角位移转 换成二进制编码或一串脉冲。光电编码器分为绝对式和增量式两种类型。增量式光电编码器具有结构简单、体积小、价格低、精度高、响应速度快、性能稳定等优点，应用更为广泛。在高分辨率和大量程角速率位移测量系统中，增量式光电编码器更具优越性。 增量式编码器的工作原理如图 2所示。 它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成。在图形的主码盘 (光电盘 )周边上刻有节距相等的辐射状窄缝，形成均匀分布的透明区和不透明区。鉴向盘与主码盘平行，并刻有 a、 们彼此错开 1 4节距，以使 A、 在相位上相差 错误 !未找到引用源。 。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器 A、 误 !未找到引用源。 。 光电编码器的光源最常用的是自身有聚光效果的发光二极管。当光电码盘随工作轴一 起转动时，光线透过光电码盘和光栏板狭缝， 形成忽明忽暗的光信号。光敏元件把此光信号转换成电脉冲信号，通过信号处理电路后，向数控系统输出脉冲信号，也可由数码管直接显示位移量。 光电编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数 分辨的 角度错误 !未找到引用源。 为 错误 !未找到引用源。 n，分辨率为 1 n。例如：码盘边缘的透光槽数为 1024 个，则能分辨的最小角度 a=错误 !未找到引用源。 1024=错误 !未找到引用源。 。 为了判断码盘旋转的方向，必须在光栏板上设置两个狭缝，其距离是码盘上的两个狭缝距离的 (错误 !未找到引用源。 4)倍 ( 为正整数 )，并设置了两组对应的光敏元件，如图 1中的 A、 时也称为 检测对象旋转时， 同轴或关联安装的光电编码器便会输出 A、 误 !未找到引用源。 。的数字脉冲信号。光电编码器的输出波形如图 3所示。为了得到码盘转动的绝对位置，还须设置一个基准点，如图 1中的“零位标志槽”。码盘每转一圈，零位标志槽对应的光敏元件产生一个脉冲，称为“一转脉冲”，见图 3中的 错误 !未找到引用源。 脉冲。 图 4给出了编码器正反 转时 A、 B 信号的波形及其时序关系，当编码器正转时信号 90错误 !未找到引用源。 。，如图 4(a)所示；反转时则 信号 90错误 !未找到引用源。 。，如图 4(b)所示。 输出的脉冲个数与被测角位移变化量成线性关系，因此，通过对脉冲个数计数就能计算出相应的角位移。根据 之间的这种关系正确地解调出被测机械的旋转方向和旋转角位移速率就是所谓的脉冲辨向和计数。脉冲的辨向和计数既可用软件实现也可用硬件实现。 五 机械系统设计 1 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，在滑板的后侧加装步进电机。 2 光电编码器与车床主轴之间用波纹管联结。 3 进给系统的改造与设计方案 1）拆除所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装光电编码器。 2）拆除进给箱，在此位置安装纵向进给步进电动机。 3）拆除溜板箱与快走刀的齿轮齿条，在床鞍的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。 4）拆除四方刀架与小滑板，在中滑板上方安装四工位立式电动刀架。 5）拆除中滑板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠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）将横向进给步进电机通过法兰座安装到中滑板后部的床鞍上，并与滚珠丝杆的轴头相连。 7）拆去丝杠、光杠与操纵杠，更换丝杠的右支撑。 六、 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动机的计算、选型后，就可以着手绘制进给传动机构的装配图了。在绘制装配图时，需要考虑一下问题： 1了解原车闯的详细结构，查阅测量床身、床鞍、中滑板、刀架的结构尺寸。 2根据载荷特点和支承形式，确定丝杠两端轴承的型号、轴承座的结构，以及轴承的预紧和调节方式。 3考虑各部件之间的定位、联接和调 整方法。例如：应保证丝杠两端支承与螺母座同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座、支承座在安装面上的联接与定位，步进电动机的联接与定位等。 4考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如：丝杠螺母的润滑、防尘防铁屑保护、轴承的润滑及密封、行程限位保护装置等。 5在进行各零部件设计时，应注意装配的工艺性，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。 6注意绘制装配图的一些基本要求。例如：制图标准，视图布置及图形画法要求，重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标注，装配技术要求，标题栏等。 横向进给传 动机构的装配图，分别如附录所示。 七心得： 通过本次课程设计，将车床的横向、纵向刀架进行数控化改造，实验过程中，我们遇到过很多的困难，很多的东西我们都不了解，不知道从什么地方下手去解决问题，我们查了很多的资料，但还是对这个实验很模糊，我们只能做个大概的思路，希望老师谅解。在课程设计的过程中，我懂得