普通车床数控化改造设计

毕业设计（论文）任务书 系 部 机械工程系 指导教师 职 称 教授 学生姓名 专业班级 学 号 论文题目 普通车床数控化改造 论 文 内 容 目 标 及 进 度 要 求 本课题改造设计经济型数控车床，应满足实用和加工精度的要求。 1. 调研：了解各种数控机床进给伺服系统中二维工作台的工作性能和加工要求情况，了解开环伺服传动系统的组成和特点，提出应满足的技术要求和条件，分析、比较各种可能的方案并提出初步设计方案； 2. 研究和确定数控车床进给伺服系统的总体设计方案，要求有必要 的分析和计算过程； 3. 结构设计，要求画出总体结构图、关键零部件图并对关键零部件进行校核和验算； 4. 控制系统设计，画出控制系统原理图； 5. 撰写设计说明书（ 30左右）； 6. 基本技术要求： 结构尺寸：普通车床 控车床的设计参数： 规 格 加工 最大 直径 加工 最大 长度 溜板及刀架重力 (N) 刀架快移速度(m/最大进给速度 (m/定位 精度 电 机功 率 动 加速 时间 向 横向 纵向 横向 纵向 横向 320 320 700 880 550 5 根据数控机床要求，由调研确定工作台定位精度和重复定位精度、脉冲当量等参数； 7. 绘制主要零部件图不少于 2 张，装配图 1 张； 8. 设计进度： 1)、 1 5 周，主要进行毕业设计准备工作，熟悉题目，收集资料，进行毕业实习，明确研究目的和任务，构思总体方案； 2)、 6 10 周，设计计算，绘图； 3)、 11 13 周，编写毕业设计论文，准备毕业设计答辩。 指导教师签名： 年 月 日 系 部 审 核 毕业设计（论文）学生开题报告 课题名称 普通车床数控化改造设计 课题类型 理论探究型 指导教师 学生姓名 学 号 专业班级 本课题的研究现状、研究目的及意义 目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率 。 当前在我国国民经济的各行各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。我国的数控技术发展很快，呈现出高速度、高精度、高可靠性、多轴控制、工艺复合、集成化、智能化、网络化合环保化发展的态势。与国外数控技术的发展相比，我国数控技术的发展仍然存在着较大差距 。 通过该课题的研究，努力达到以下目的： 1、加强数控机床结构设计和模块化训练； 2、加强数控机床功能部件的选型与设计计算的训练； 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 普通机床数控化改造的研究意义 ： 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）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。 3） 提高生产效率。 机床经数控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 课题类型：课题类型： 2课题的研究内容 1. 进给传动系统的设计，包括：进给传动系统的轴向载荷计算，导轨的设计与选型，滚珠丝杆螺母副的选型与计算，进给传动系统的刚度计算，进给传动系统的误差分析，驱动电动机的选型与计算，进给传动系统的动态特性分析，驱动电机与滚珠丝杆的连接。 2. 控制系统的设计，包括：控制系统硬件的基本组成，控制系统软件的组成及结构，计算机伺服控制系统和可编程控制 系统。 3. 滚珠丝杆螺母副进行预紧的原因和方法，各种预紧方法是怎样实现的。还有设计的支承方式，常用的轴承有哪些作为它的支。 4. 机械传动系统的启动力矩的组成部分，以及电机惯量的匹配原则。 5. 设计和安装的时候，滚珠丝杆在水平面内和垂直面内与车床导轨的平行度的保证，对其预紧拉伸。 6. 在数控车床进给系统设计中，滚珠丝杆螺母的螺母座与丝杆两端的支承同心的保证以及其原因。 7. 铁塑导轨应贴的部位，粘贴的方法以及其原理。 8. 选择伺服电动机的原则，掌握其工作原理，在选择伺服电机时应该注意的问题，例如调速和启动。 9. 滚珠丝杆螺母 副的轴向负载时有哪些部分组成的，在车床设计的时候是怎样进行准确计算的。 10. 滚珠丝杆所受到的轴向负载是怎样通过支承件传到床身的。 11. 整机设计的布局形式以及导轨的选择应该注意哪些问题，在设计整机的时候有哪些方面的禁忌。 本课题研究的实施方案、进度安排 研究本课题时，首先要注重我们所学习的教材，采取多看注重理解的方式进行学习。具备了一定的理论知识以后再回顾一下我们洛阳实习所学习到的数控车床的工作原理，结合实际以后再着手毕业设计，只有理论联系实际才能事半功倍，但是在设计过程中所遇到的问题也要及时向指导老师询 问，力争在自己即将毕业之际交出一份完美的答卷。 进度安排分为四个阶段： 1） 准备工作，熟悉题目，收集资料，进行毕业设计，明确研究目的和任务，构思总体方案 2） 绘图 3） 备毕业设计答辩 已查阅的主要参考文献 赵天婵 吴斌方数控技术课程设计华中科技大学出版社 数控车床设计 化学工业出版社 机械零件手册 高等教育出版社 单片机高级教程 北京航空航天大学出版社 唐可洪 机电一体化设计基础机械工业出版社 编写组 M械工业出版社， 2004 年 东风汽车发动机厂 指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 摘 要 数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战 略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。数控机床是现代加工车间最重要的装备。它的发展是信息技术 (1T)与制造技术 (合发展的结果。现代的 捷制造和智能制造技术，都是建立在数控技术之上的。掌握现代数控技术知识是现代机电类专业学生必不可少的。 本次设计内容介绍了数控 车床 的特点、 电机选型 以及 计算误差 的一般 分析 。并通过一定的实 例详细的介绍了数控 车床改造 的分析方法。 关键词 ： 数控技术 数控改造 步进电动机 电气控制 in in it in s to to s s as as is is 1T) of of is is of is s as as s 普通车床数控化改造 学生姓名： 学 号： 所在系部： 专业班级： 指导教师： 日 期： 目 录 摘要 i i i 引言 1 1. 总体方案设计 2 2. 横向进给传动链的设计计算 2 切削力及切削分 力的计算 2 轨摩擦力的计算 2 算滚珠丝杆螺母副的轴向载荷 3 定进给传动链的传动比 i 和传动级数 3 珠丝杆的动载荷计算与直径计算 3 2. 6 按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径 4 步确定滚珠丝杆螺母副的规格型号 4 3 横向进 给传动链部件的装配图设计（见图纸） 4 4 滚珠丝杆螺母副的承载能力的校验 4 珠丝杆螺母副的临界压缩载荷 校验 4 珠丝杆螺母副的额定寿命的校验 10 5 计算机械传动的刚度 10 算滚珠丝杆的拉压刚度 10 算滚珠丝杆螺母副的支承刚度 11 算滚珠与滚道的接触刚度 12 算进给传动系统的综合拉压刚度 12 算滚珠丝杆螺母副的扭转刚度 12 6 驱动电动机的选型与计算 13 算折算到电动机轴上的负载惯量 13 算折算到电动机轴上的负载力矩 13 算折算到电动机轴上的加速力矩 14 算横向进给系统所需的折算到带你动机轴上的各种力矩 14 择驱动电动机的型号 15 7 机械传动系统的动态分析 15 算丝杆工作台纵向振动系统的最低固有频率 16 算扭转振动系统的最低固有频率 16 8 机械传动系统的误差计算与分析 16 算机械传 动系统的反向死区 17 算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差 . 17 8. 3 计算滚珠丝杆因扭转变形而产生的误差 . 17 9 确定滚珠丝杆螺母副的精度等级和规格型号 18 定滚珠丝杆螺母副的精度等级 18 定滚珠丝杆螺母副的规格要求 18 结论 . . 19 致谢 . . 20 参考文献 . . 21 引言 近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。目前国外机械设备的数控化率已达到 85%以上，而我国的机械设备的数控化率不足 20%，随着我国机制行业新技术的应用， 数控 技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。 精加工技术及装备的新趋势 放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 范的建立 其中包括： b. 关于数控系统设计开发规范 ， 加强数控车床的整机设计中应该把握的主要问题的训练。 现代数控车床的整机设计包括整机布局形式，导轨形式的选择及支承件的结构设计，滚珠丝杆螺母副及其支承方式的选择，主传动系统的选择及其设计，还有数控系统与其他辅助装置的选择与设计等等。通过实施数控车床的整机设计中应该把握的主要问题的训练，可以使我们在毕业设计中体会数控车床具有较高的加工精度和效率的原因，同时体会到 置的最小设定单位，数控车床是怎样在设计中体现的，以培养我们的整机或部件的设计能力。 研究此课题的意义在于：针对大 学毕业生技能的需求，在培养过程中，加强实践环节，把自己置身于工程背景之中，以提高我们的专业水平。通过此设计，我们可以初步掌握改造一般车床的方法与步骤，可为我们今后工作打下良好的基础。将大学三年所学到的知识进行汇总，考核我们所学知识的牢固度，检验我们运用知识的能力。 普通车床数控化改造应具有定位。快速进给，直线插补，圆弧插补，暂停，循环加工和螺纹加工等功能。因此，普通车床数控化改造所选用的数控化系统应为连续控制系统。如：德国西门子公司的 系统。华中数 控的“世纪星” 21/22 型系统。 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动机为驱动装置的开环系统为宜。 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。 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 形图设计。 径： 320700向 880向 160向 2400m/向 1200mm/ 800mm/向 400mm/向 880N，横向 550N 行程 量值，绝对值通用 2 向 冲，横向 冲 进给系统数控化改造的主要部位 有：挂轮架，进给箱，溜板箱，溜板，刀架。 部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲编码器。 全部拆除，在该处安装纵向进给步进电动机与齿轮减速箱总成。丝杠，光杆和操纵杠拆去，齿箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部位。 部拆除，在原处安装滚珠丝杠螺母座。丝杠螺母固定在其上，在该处还可以安装部分操作按钮。 原横溜板中的滚珠丝杠，螺母拆除。在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副，横向进给步进电动机与齿轮减速箱总成安装在横溜板 后部并与滚珠丝杠相连。 除原刀架，在该处安装自动回转四方刀架总成。 （ 1）计算主切削力 知：主电动机功率 4. 95大工作直径 D=320轴计算转速：n=85r/此转速下，主轴具有最大扭矩和功率。则刀具的切削速度为： V=0=5/60=s 取机床的机械效率 =主切削： Pm/v=000/ 2）计算各切削分力 由公式 x:： ：走到方向切削分力 垂直方向切削分力 别为： y=由公式： （ W+v+N，计算在切削状态下导轨摩擦力 此时导轨受到的垂向切削分力： z=向切削分力为 x=动部件的全部重力为 W=550N，查表由差值法，得：500N。取导轨动摩擦系数 =： （ W+v+=(500+1500+ 由公式： （ W+N，计算在不切削状态下的导轨摩擦力 则： （ W+= 550+1500） =0 =0 （ W+= 550+1500） =410N 按公式： 1 +（ W+v+N，计算最大轴向负载力 则： y+按公式： （ W+N，得最小轴向负载力： 410N i 和传动级数 取步进电动机的步距角为 =，滚动丝杠的基本导程 6给动链的脉冲当量 冲，则由公式： i=60 按最小惯量条 件，查图可知应采用二级传动，传动比分别取： 1i =2， 2i =据结构需要，确定传动齿数为 20, 0 , 0, 0,模数 m=2，齿宽 b=20按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷 知数控机床的预期工作时间 5000h，滚珠丝杠的当量载荷 表得：载荷系数 选滚珠丝杠的精度等级为 3 级，取精度系数 ，可靠性系数 ，取滚珠丝杠的当量转速 ，又知： 0 =6： 000。 =1000=： 601/300(605000)1/30011=按精度要求允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形：已知本车床横向进给的定位精度为 10m，重复定位精度为 16m，则由公式，得： 1/51/4） 10=2即 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 滚珠丝杠螺母副的安装方式采用一端固定，一端游动支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为： L=行程 +安全行程 +2*余程 +螺母长度 +支承长度（ 程 +30L 则： L=程 +30 （ 200+30 6） =460公式： F。 L/ 1/2=410460/3） 1/2=初步确定滚珠丝杠 螺母副的规格和型号 根据以上计算所得 结构需要，初步选择南京工艺装备公司生产的 号为： 公称直径 0d ，基本导程 额定动载 荷 螺纹底径 2d 如下： 0d =2561300N d =满 足要求。 c 的校验已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径2d =图可知：滚珠丝杠螺母副的最大受压长度： 13 杠 水 平 安 装 时 ， 取 1K =1/3 ，查表 2K =2, 则由公式：0512=1/32132=车床横向进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为： 小于其临界压缩载荷 值，故满足要求。 验 由图可知：滚珠丝杠螺母副临界转速计算长度 337弹性模量其弹性模量E=05度 =1/g05N/力加速 度 g=03mm/滚珠丝杠的最小惯性矩为： I=/644=珠丝杠的最小截面积为： A=/4= 1K =表，得： 1( A)1/260 2/2 9188r/公式本横向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为： 小于其临界转速，故满足要求。 母副额定寿命校验 查附录表，得：滚珠丝杠额定动载荷 1300N ，已知其轴向载荷珠丝杠的转速 n=转条件系数 由公式： L=（ 3 610 ，得： L=108r， L/60n=28498 h 因为 28498h 远大于 15000h，故满足要求。 计算滚珠丝杠的拉压刚度 机床横向进给传动链的丝杠支承方式为一端固定，一端游动。丝杠的拉压刚度 按公式： a10算。已知滚珠丝杠的弹性模量 E=05径2d =滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离 a=13，滚珠丝杠螺母副具有最小 抗拉压刚度 公式得： a*10m 当 a=13，滚珠丝杠螺母副具有最大抗拉压刚度 公式m 计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度 知滚动体直径 d=动体个数 Z=15，轴承最大轴向工作载荷：查表得： 1/2=2 521/3=m 计算滚珠与滚道的接触刚度 附录，得：滚珠与滚道的接触刚度 K=636N/m，滚珠丝杠的额定动载荷 1300N，已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷： 由公式： （ 1/3=m 计算进给传动系统的综合拉压刚度 K 由公式： 1/+1/，得：进给系统的综合拉压刚度的最大值为： 16 N/m. 由公 式： 1/+1/K 通车床数控化改造计算简图得扭矩作用点之间的间距为 87知滚珠丝杆的剪切模量为 G=04珠丝杆的底径 有： 2m/计算滚珠丝杠的转动惯量 知滚珠丝杠的密度 =0： 0计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量 已知机床横向进给系统的执行部件的总质 量为 杠每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离 L=公式： Jr=m（ L/2） 2=96（ 1/2=计算各齿轮转动惯量 042=042=0042=总负载转动惯量： (1/r+计算折算到电动机轴上的切削力矩 知在切削状态下的轴向负载力 杠每转一圈，机床执行部件横向移动距离 L=6给传动比 i=5，总效率进给传动系统总效率 = i=2)=m 计算折算到电动机轴上的摩擦负载力矩 T 已知在不切削状态下的轴向负载力 =390N，得 =L/2i=m。 计算由滚珠丝杠预紧力 生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩 知滚珠丝杠螺母副效率，则由公式得： ： （ 12） m。 折算到电动机轴上的负载力矩 T 的计算 空载时： +m 切削时： c+m 根据以上计算结果和查表，知：初选 130反应式步进电动机，其转动惯量进给传动系统的负载惯量 开环系统，一般取加速时间 t=机床执行部件以最快速度 v=1200mm/动时，电动机的最高转速 ： =1000r/m 则： m+60980t= a空载启动力矩 q=(f)+Nm=m b快进力矩 +Nm=m c+Nm=m 选择驱动电动机的型号 根据以上计算及查表知，选择国产 130应式步进电 动机，其主要参数如下：相数： 5，步距角： /，最大静转矩：最大静转矩： m；转动惯量：最高空载启动频率： 3000行频率： 16000配方式：五相十拍，质量： 确定最大静转矩 表，知：机械传动系统空载启动力矩 所需的步进电动机的最大静转矩 关系为 ： 以 ： q/m 机械传动系统空载启动力矩 所需的步进电动机的最大静转矩的 系为m 取 较大者作为所需电动机的最大静转矩 ： m 本电动机的最大静转矩为最大静转矩为 m，大于 m，所以 可以在规定时间里正常启动，故满足要求。 验算惯量匹配 为了使机械传动系统的惯量达到合理的匹配，系统的负载惯量 伺服电动机的转动惯量 比一般应满足式 : 1。因为 m=1 属于 的区间范围内，故惯量匹配满足要求。 工作台纵向振动系统的最低固有频率 滚动丝杠螺母副的综合拉压刚度 K。 =06N/m，机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量分别为 m、 珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为：滚珠丝杆螺母副和机床执行部件的等效质量为 md=m+1/3知 m=有： +1/3 K。 /1/2=1563s 折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为： i=（ 5=知滚珠丝杆的扭转刚度 m/则： s） 1/2=1130s 由此计算可知：丝杠 563 s，扭转振动系统的最低固有频率 1130s 都比较高，一般按 300 s 的要 求设计机械传动系统的刚度，故满足要求。 已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值 K。 =06N/m，导轨的静摩擦力 F。 =400N 由公式： =2 p=2000F。 /000792/06=0： =8m，故满足要求。 由公式： 000F。 （ 1/=06m 故满足要求。 计算由扭矩引起的滚珠丝杠螺母副的变形量 已知负载力矩 T=图可知，扭矩作用点之间的距离为 387杠底径 21.9 公式： =L2/087/ ： =102/ 1080 437 / 由该扭转变形量引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度，由公式： =360=6 60 m 本进给传动采用开环控制系统，应满足下列要求： 定位精度 - ） = m= 定位精度 - ） = 取滚珠丝杠螺母副 的精度等级为 1 级，查表可知：查表 2 m，当螺纹长度为 400，查表 +6=13m 以，满足设计要求。 2. 确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 滚珠丝杠螺母副的规格型号为 45400，具体参数如下：公称直径与导程： 256纹长度： 400杠长度： 545型与精度： P 类， 1级精度。 结 论 实践是检验真理的唯一标准，当然也是检验学习成果的标准。在经过一段 时间的学习之后，我们需要了解自己的所学应该如何应用在实践中，因为任何知识都源于实践，归于实践，所以要将所学的知识在实践中来检验。 本次课题贯穿本专业所学到的议论知识与实践操作技术，从分析设计到计算、操作得到成品，同时本次选题提供了自主学习，自主选择，自主完成的机会。毕业设计有实践性，综合性，探索性，应用性等特点，本次选题的目的是数控专业教学体系中构成数控技术专业知识及专业技能的重要组成部分，是运用数控机床实际操作的一次综合练习。传统的回转体工件设计是应用系统方法分析和研究产品生产的问题和需求。现代回转体类的 数控加工设计理论已经不拘泥于系统论活即将结束，但在这段时间里面我觉得自己是努力并快乐的。在繁忙的的日子里面，曾经为解决技术上的问题，而去翻我所学专业的书籍。经过这段时间我真正的理论基础，开始强调产品尺寸精度，工艺严格性，从而更加有得于学生装的数控编程及操作的创新精神和实践能力。随着毕业设计做完，也将意味我的大学生体会了很多，也感到了很多 。 在两年的大学生活里，我觉得大多数人对本专业的认识还是不够 ,在大二期末学院曾为我们组织了三个星期的实习，但由于当时所学知识涉及本专业知识不多，所看到的东西与本专业很难联系起 来 ,所以对本专业掌握并不是很理想 .。为了更深入的理解并掌握大学的专业知识，加强专业技能。我选择的毕业设计课程是：典型轴类零此的分析，需要对刀具的切削参数进行计算等方面的问题给予考虑，这些方面的知识都需要我们去复习以前的知识，在对以前学件加工。通过