【毕业设计论文】卧式车床数控化改造设计—纵向进给系统设计-最新设计说明书（改）【有对应的CAD图】

订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 毕业设计说明书( 论文) 题 目: 卧式车床数控化改造设计 纵向进给系统的设计 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 数控技术的水平高低和机床的数控化率是衡量一个国家工业发展水平的重要 标志。目前我国机床的数控化率还不到 5 % , 无论从数控技术水平和机床的数控化 率都大大落后于西方发达国家。加快发展我国的机床改造业，具有重要的现实意 义和使用价值。 本文主要是采用微机数控技术对最大加工直径为 4 0 0 m m的普通卧式车床进行 改造。首先对普通卧式车床的改造任务和功能需求进行了认真分析，其次设计出 总体改造方案，包括主传动系统、进给系统、回转刀架及微机控制系统的方案设 计，最后经过对切削力的计算、滚珠丝杠副、齿轮副及步进电机的选型，给出了 纵向进给系统的详细设计。 关键词 数控 改造 车床 纵向进给 本科毕业设计说明书（论文） 第 I 页 共 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要 本科毕业设计说明书（论文） 第 II 页 共 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 T i t l e D e s i g n o f H o r i z o n t a l M a c h i n e b a s e d o n N u m e r i c a l C o n t r o l T e c h n o l o g y D e s i g n o f L o n g i t u d i n a l F e e d i n g S y s t e m A b s t r a c t L e v e l o f n u m e r i c a l c o n t r o l t e c h n o l o g y a n d C N C m a c h i n e t o o l i s a m e a s u r e o f t h e r a t e o f a n a t i o n a l i n d u s t r i a l d e v e l o p m e n t a n i m p o r t a n t i n d i c a t o r o f t h e l e v e l . C N C m a c h i n e t o o l s i n C h i n a i s l e s s t h a n t h e r a t e o f 5 % , C N C t e c h n o l o g y i n t e r m s o f t h e l e v e l a n d r a t e o f N C m a c h i n e t o o l s a r e l a g g i n g f a r b e h i n d d e v e l o p e d c o u n t r i e s i n t h e W e s t . S p e e d u p t h e t r a n s f o r m a t i o n o f t h e d e v e l o p m e n t o f C h i n a s m a c h i n e t o o l i n d u s t r y , h a s i m p o r t a n t p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e a n d v a l u e . T h i s p a p e r m a i n l y u s i n g c o m p u t e r n u m e r i c a l c o n t r o l t e c h n o l o g y t o a l t e r t h e o r d i n a r y h o r i z o n t a l l a t h e w h o s e m a x i m u m m a c h i n i n g d i a m e t e r i s 4 0 0 m m . f i r s t o f a l l , h o r i z o n t a l l a t h e f o r o r d i n a r y t a s k s a n d f u n c t i o n s o f t h e t r a n s f o r m a t i o n o f a c a r e f u l a n a l y s i s o f n e e d s , S e c o n d , t h e d e s i g n o f t h e o v e r a l l r e f o r m p r o g r a m , i n c l u d i n g t h e m a i n d r i v e s y s t e m , f e e d s y s t e m , r o t a r y t o o l h o l d e r a n d t h e p r o g r a m o f m i c r o c o m p u t e r c o n t r o l s y s t e m d e s i g n , a f t e r t h e f i n a l c a l c u l a t i o n o f c u t t i n g f o r c e , b a l l s c r e w , g e a r a n d s t e p p e r m o t o r s e l e c t i o n , v e r t i c a l f e e d i s g i v e n f o r t h e d e t a i l e d d e s i g n . K e y w o r d s N u m e r i c a l c o n t r o l T r a n s f o r m a t i o n l a t h e V e r t i c a l f e e d i n g s y s t e m 本科毕业设计说明书（论文） 第 III 页 共 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 目 录 1 绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1 . 1 国内外数控机床的发展现状 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1 . 2 数控系统的发展趋势 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 1 . 3 普通机床数控改造的意义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1 . 4 本文的设计任务 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 2 C 6 1 4 0 普通车床数控改造的总体方案设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 2 . 1 C 6 1 4 0 普通车床介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 2 . 2 总体方案的确定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 2 . 3 机械系统的改造设计方案 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 3 纵向进给系统的详细设计与计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 4 3 . 1 脉冲当量的确定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 4 3 . 2 切削力的计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 4 3 . 3 滚珠丝杠螺母副的设计及计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 6 3 . 4 齿轮传动的计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 0 3 . 5 步进电动机的选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 1 4 传动间隙的调整与预紧及导轨的设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 4 4 . 1 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 4 4 . 2 进给系统传动齿轮间隙的消除 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 5 4 . 3 数控改造 C 6 1 4 0 车床导轨设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 6 5 数控系统硬件电路设计和软件设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 0 5 . 1 数控系统基本硬件组成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 0 5 . 2 单板机控制系统的设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1 5 . 3 软件设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 3 结束语 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 6 致 谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 7 参 考 文 献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 8 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 1 绪论 1 . 1 国内外数控机床的发展现状 1 . 1 . 1 国内数控机床的发展现状 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中 小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以 F M S 模式 集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落 后的状态。 2 0 0 1年，我国机床工业产值已进入世界第 5名，机床消费额在世界排名 上升到第 3 位，达 4 7 . 3 9 亿美元，仅次于美国的 5 3 . 6 7 亿美元，消费额比上一年增长 2 5 % 。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态 势，2 0 0 1 年进口机床跃升至世界第 2 位，达 2 4 . 0 6 亿美元，比上年增长 2 7 . 3 % 。近年 来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控 剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组 合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。 1 . 1 . 2 国内数控机床的特点 （1 ）新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。 （2 ）数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。 2 0 0 1 年国内数控金切机床产量已达 1 . 8 万台，比上年增长 2 8 . 5 % 。金切机床行业 产值数控化率从 2 0 0 0 年的 1 7 . 4 % 提高到 2 0 0 1 年的 2 2 . 7 % 。 （3 ）数控机床发展的关键配套产品有了突破。 1 . 1 . 3 国外数控机床的发展现状 （1 ）国际机床市场的消费主流是数控机床。 1 9 9 8 年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达 7 0 % ， 我国为 6 0 % 。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数 控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。 （2 ）国外数控机床的网络化。 随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已成为 必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。从另一角度来看， 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 目前流行的 E R P 即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门（人、财、 物、产、供、销）或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的 最底层加工设备数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息 化的制约瓶颈，所谓的 E R P 就比较“虚”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问 题。所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的 数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例；第二就是所拥有的数控机床必须 具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上 层之间通讯的畅通无阻。 以F A N V C 和西门子为代表的数控系统生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的 数控系统。在这些系统中，除了传统的 R S 2 3 2 接口外，还备有以太网接口，为数控机 床联网提供了基本条件。由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义 为用于远程监控、远程诊断。 1 . 2 数控系统的发展趋势 （1 ）继续向开放式、基于 P C 的第六代方向发展 基于 P C所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的 数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 P C机作为它的前端机，来处理人机界 面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。P C 机所具有的友好的人 机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 （2 ）向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 （3 ）向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提 高。 （a ）应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系 统运行状态的目的。 （b ）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （c ）引入故障诊断专家系统 （d ）智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。 1 . 3 普通机床数控改造的意义 数控机床是制造业实现生产现代化的主机, 数控技术的水平高低和机床的数控化 率是衡量一个国家工业发展水平的重要标志。目前我国机床的数控化率还不到 5 % , 新 机床的数控化率也仅为 6 % 。 无论从数控技术水平和机床的数控化率都大大落后于西方 发达国家。从 2 0世纪后期, 我国调整产业结构、产品结构和生产方式, 作为自动化生 产的基础设备- - - - - - 数控机床, 已远远满足不了工厂逐年增加的生产需求。对于机械 制造企业, 单纯靠购买新的数控机床, 所需投资大, 周期长, 常使许多中小企业望而怯 步。因此, 利用原有的部分普通机床进行数控化改造, 提高机械设备的数控化率, 无疑 是一种有效的途径。就是在美国、日本和德国等发达国家, 机床的改造作为新的经济 增长行业, 也是生意盎然, 正处于黄金时代。在美国、日本、德国, 用数控技术改造机 床和生产线具有广阔的市场, 已形成了机床和生产线数控改造的新行业。在美国, 机床 改造业称为机床再生业。从事再生业的著名公司有: B e r t s c h e 工程公司、a y t o n机床 公司、 D e v l i e g - B u l l a v d ( 得宝) 服务集团、U S 设备公司等。美国得宝公司已在中国开 办公司。在日本, 机床改造业称为机床改装业。从事改装业的著名公司有: 大隈工程集 团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司 等。由于机床以及技术的不断进步, 机床改造已是个”永恒”的课题。我国的机床改 造业, 也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业, 具有重要的现实意义和使用 价值: （1 ）节省资金。机床的数控改造同购置新数控机床相比一般可以节省 6 0 % 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数控机床购置费的 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数控机床 6 0 % 的费用, 并可 以有效地利用现有地基。 （2 ）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期生产的磨合和不断改进完善, 几 乎不会产生应变力变形而影响精度。 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 （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 1 。 1 . 4 本文的设计任务 本课题主要是采用微机数控技术改造最大加工直径为 4 0 0 m m 的普通卧式车床。要 求在对卧式车床的改造任务和功能需求作出认真分析的基础上，做好总体改造方案设 计及纵向进给系统的详细设计。通过这一典型机电一体化产品的开发设计，培养综合 运用所学专业知识改造开发新产品及解决工程实际问题的能力。 具体内容及要求如下： （1 ）调查研究、查阅及翻译文献资料，撰写开题报告； （2 ）改造任务及功能需求分析； （3 ）总体改造方案的确定； （4 ）纵向进给系统机械部分和控制部分的详细设计； （5 ）文档整理、撰写毕业设计说明书及使用说明书。 相关设计技术条件及要求如下： （1 ）床身上最大加工直径：4 0 0 m m ； （2 ）最大加工长度：1 0 0 0 m m ； （3 ）横向进给脉冲当量：0 . 0 0 5 m m / 脉冲，纵向进给脉冲当量：0 . 0 1 m m / 脉冲； （4 ）横向最快的工进速度：4 0 0 m m / m i n ，纵向最快的工进速度：8 0 0 m m / m i n ； （5 ）换刀时刀架转速：3 0 r / m i n ； （6 ）C N C 系统主 C P U 采用单片机。 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 2 C 6 1 4 0 普通车床数控改造的总体方案设计 2 . 1 C 6 1 4 0 普通车床介绍 C 6 1 4 0 普通卧式车床的结构布局如图 2 . 1 所示。 当工件随主轴回转时, 通过刀架的 纵向和横向移动, 能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等, 借助成形刀具, 还 能加工各种成形回转表面。 图 2 . 1 C 6 1 4 0 普通卧式车床的结构布局 （1 ）主轴箱是支撑主轴并带动工件作回转运动。箱内装有齿轮、轴等零件，组 成变速传动机构，变换箱外手柄位置，可使主轴得到多种不同的转速。 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 （2 ）进给箱是进给传动系统的变速机构。它把交换齿轮箱传递来的运动，经过 变速后传递给丝杆，以实现各种螺纹的车削或机动进给。 （3 ）交换齿轮箱是用来将主轴的回转运动传递到进给箱。更换箱内的齿轮，配 合进给箱变速机构，可以得到车削各种螺距的螺纹的进给运动；并满足车削时对不同 纵、横向进给量的需求。 （4 ）溜板箱是接受光杆传递的运动，驱动床鞍和中、小滑板及刀架实现车刀的 纵横进给运动。溜板箱上装有一些微手柄和按钮。可以方便地操纵车床上来选择诸如 机动、手动、车螺纹及快速移动等到运动方式。 （5 ）床身是车床的大型基础部件，精度要求很高，用来支撑和连接车床的各个 部件。床身上面有两条精确的导轨，床鞍和尾座可沿着导轨移动。 （6 ）刀架部分由床鞍、两层滑板和刀架体共同组成用于装夹车刀并带动车刀作 纵向、横向和斜向运动。 （7 ）尾座安装在床身导轨上，并可沿着导轨纵向移动，以调整结构其工作位置。 尾座主要用业安装后顶尖，以支撑较长的工件，也可以安装钻头、铰刀等切削刀具进 行孔加工。 （8 ）床身前后两个床脚分别与床身前后两端下部连为一体，用以支撑床身及安 装在床身上的各个部件。可以通过调整垫块把床身调整到水平状态，并用其所长地脚 螺栓固定在此工作场地上。 （9 ）冷却装置主要通过冷却泵将切削液加压后经冷却嘴喷射到切削区域 2 3 。 C 6 1 4 0 普通卧式车床的功能如图 2 . 2 所示。 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 2 . 2 C 6 1 4 0 普通卧式车床的功能 2 . 2 总体方案的确定 C 6 1 4 0型普通车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大的普通 型车床。经过大量实践证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是技术都是确实 可行了。一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的数控车 床，同时具有数控控制和原机床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的 突破。总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执 行机构的选择等。 （1 ）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功 能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此数控系统选连续控制系统。 （2 ）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应 简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。 （3 ）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经 济型数控机床一般采用 8 位微机。在 8 位微机中，M C S 5 1 系列单片机具有集成度高、 可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选 M C S 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 5 1 系列单片机扩展系统。 （4 ）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 C P U外，还包括扩展程序存储 器，扩展数据存储器、I / O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显 示加工数据和机床状态信息的显示器， 包括光电隔离电路和步进电机驱动电路， 此外， 系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。 （5 ）设计自动回转刀架及其控制电路。 （6 ）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺 母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。 （7 ）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的 滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除 齿侧间隙的机构。 （8 ）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。 C 6 1 4 0 车床数控改造的总体方案如图 2 . 3 所示。 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 2 . 3 C 6 1 4 0 车床数控改造的总体方案示意图 2 . 3 机械系统的改造设计方案 （1 ）进给系统的改造与设计方案 （a ）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹编码器 （b ）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与齿轮减速箱总成。 （c ）拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠 的螺母座与螺母座托架。 （d ）拆除四方刀架与上溜板的总成，在横溜板上方安装四工位立式电动刀架。 （e ）拆除横溜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。 （f ）将横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚 珠丝杠的轴头相连。 （g ）拆去三杠（丝杠、光杠与操纵杠） ，更换丝杠的右支承。 （2 ）主传动系统的改造方案 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 对普通车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构， 这样可减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转、何停止可由数控系统来控制。 若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用 2 4档的多速 电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器 来控制主轴电动机，以实现无级变速。 当采用有级变速时，可选用 Y D 系列 7 . 5 k W 变速三相异步电动机，实现 2 4 档变 速； 当采用无级变速时， 应加装交流变频器， 推荐型号为： F 1 0 0 0 - G 0 0 7 5 T 3 B ， 适配 7 . 5 k W 电动机。 （3 ) 安装电动卡盘 为了提高加工效率，工件的夹紧与松动采用电动卡盘，选用 K D 1 1 2 5 0 型电动三爪 自定心卡盘。卡盘的夹紧和松开由数控系统发信控制。 （4 ）换装自动回转刀架 为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自 动回转刀架，选用 L D 4 B - C K 6 1 4 0 型四工位立式电动刀架。实现自动换到需要配备相应 的电路，由数控系统完成。 （5 ）螺纹编码器的安装方案 螺纹编码器又称主轴脉冲发生器和圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴 脉冲发生器，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动。 改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是 2 4 m m / （0 . 0 1 m m / 脉冲）= 2 4 0 0 脉冲。考 虑到编码器的输出有相位差为 9 0 的 A 、B 相信号，可用 A 、B 异或后获得 2 4 0 0 个脉 冲（一转内） ，这样编码器的线数可降到 1 2 0 0线（A 、B信号） 。另外，为了重复车削 同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个的零位脉冲 Z 。 基于上述要求， 选择螺纹编码器的型号为： Z L F - 1 2 0 0 Z - 0 5 V 0 - 1 5 - C T 。 电源电压+ 5 V ， 每转输出 1 2 0 0 个 A / B 脉冲与 1 个 Z 脉冲，信号为电压输出，轴头直径 1 5 m m 。 螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是将变编码器 直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。异 轴安装是指将编码器安装在床头箱的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴。 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 需要注意的是，编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性连接，且车床主轴的 最高转速不允许超过编码器的最高许用转速 4 - 6 。 数控改造后的车床传动系统如图 2 . 4 所示。 1 电动刀架 2 联轴器 3 横向步进电机 4 纵向步进电机 5 联轴器 6 纵向微调机构 7 横向滚珠丝杠 8 横向螺母 9 纵向螺母 1 0 横向微调机构 1 1 纵向滚珠丝杠 图 2 . 4 数控改造后的车床传动系统 2 . 3 . 1 数控车床的布局形式 结构：平床身、斜床身、平床身与斜滑板、立床身。 平床身：工艺性好、运动精度较高，但排屑困难，一般用于经济形数控车床。 斜床身：排屑方便、占地面积小、外形美观、便于安装机械手、可实现单机自动 化，一般用于中小型机床。数控车床的布局形式如图 2 . 5 所示。 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 （a ） 平床身 （b ） 斜床身 （c ） 平床身与斜床身 （d ） 立床身 图 2 . 5 数控车床的布局形式 2 . 3 . 2 纵、横向结构示意图 齿轮传动装置是转矩、转速、和转向的变换器。在机电一体化进给伺服系统中， 采用齿轮传动装置的主要目的有二：一是降速，将伺服电动机的高速、小转矩输出变 成克服负载所需的低速、大转矩；二是使滚珠丝杆和工作台的转矩惯量在传动系统中 所占比重减少，以保证传动精度。 对齿轮传动装置的总体要求是传动精度高、稳定性好、灵敏度高、响应速度快。 对于开环伺服系统，传动误差将直接影响工作精度，因此，要尽可能缩短传动链的长 度，消除传动间隙，以提高传动精度和传动刚度。纵、横向结构示意图如图 2 . 6 所示。 1 步进电机 2 齿轮减速装置 3 支承装置 4 丝杠 5 托板 图 2 . 6 纵、横向结构示意图 2 . 3 . 3 自动转位刀架的设计 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 自动转位刀架的设计是普通机床数控化改造的关键。它要求刀架要具有抬起、回 转、下降、定位和压紧这一系功能。尽管其结构复杂，各方面要求高，但它保持了原 本床工件最大回转直径的条件下，提供选用的多把刀的可能性。 电动刀架的安装较方便，只要将原车床上的刀架拆下将电动刀架装即可，但要注 意两点 （1 ）电动刀台的两侧面应与车床的横向进给方向平行。 （2 ）电动刀台与系统的连线建议如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床 后面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在于：避免走线杂 乱无章，而使得加工时切屑、冷却液以及其它杂物磕碰电动刀架系统。 下面是数控改造 C 6 1 4 0 车床自动转位刀架工作原理图 2 . 7 所示。 1 刀架 2 固定安装丝杠 3 安全离合器 4 电机 图 2 . 7 自动转位刀架工作原理图 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 3 纵向进给系统的详细设计与计算 经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上， 带动刀架左右移动。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的那么高，而从改造方便，实用方面来考虑。一般都把步进电 机放在纵向滚珠丝杠的左端。 3 . 1 脉冲当量的确定 根据设计任务的要求, 横向进给脉冲当量： 0.005mm/脉冲， 纵向进给脉冲当量： 0.01mm/脉冲。 3 . 2 切削力的计算 电机初步估算转速为1500r/min，进给速度 max 4m/minV= 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 根据机械设计手册可知 max max h V p i n = 式中 h p 为滚珠丝杠的基本导程mm； max V丝杠的最大移动速度mm/min； max n丝杠副最大相对转速r/min； i传动比 则 4000 2.13mm 1.25 1500 h P = 所以根据滚珠丝杠基本导程的基本系列可在 机械设计手册 中查到 h p ， 选6mm h p =。 已知条件 工作台重量 95kg950NWg= 步距角 0.75 /setp = 滚珠丝杠基本导程 0 6mmL = 行程 6mmS = 脉冲当量 0.01mm/ p =s e t p 快速进给速度 max4m/minV= 切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 c ppk= 式中 p电机功率，查机床说明书，7.5kwN =； 主传动系统总效率，一般为 0 . 6 0 . 7 取0.65 =； k进给系统功率系数，取为0.96k =。 则 7.50 . 6 50 . 9 64 . 6 8 k w c p= 又因为切削力应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和最大切削速度来 计算，即 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 3 1 0 6 0 Z c Fv p = 所以 3 6 0 1 0 c Z p F v = 式中 v切削线速度()m/min，取150m/minv =； Z F 主切削力()N。 主切削力 () 3 60 4.68 101872 N 150 Z F = 由机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时 () XZ 0.10.6FF= ， () YZ 0.510.7FF= 取 0.50.5 1872936N XZ FF= 0.60.6 18721123.2N YZ FF= 3 . 3 滚珠丝杠螺母副的设计及计算 （1 ）工作载荷p的计算 工作负载的数值可机床设计手册中进给牵引力的实验公式计算，对于综合导轨 () PXZ FKFfFW W=+ 式中 XF Z F 、 为X Z 、 方向上的切削力； W为工作台的重量()950N； f 导轨的摩擦系数, 0.150.18f =，取为0.16； k考虑颠覆力矩影响的实验系数, 1.15k =。 则 ()1.15 9360.1618729501527.92N P F =+= （2 ）最大动载荷 Q F计算 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 6 60 10 i i niT L = 式中 in 为滚珠丝杠当量转速； iT 使用寿命时间()15000h。 由以上条件，可以确定步进电机与滚珠丝杠齿轮之间的传动比 0 0.75 6 1.25 360360 0.01 p L i = 由于电机轴与滚珠丝杠之间是降速传动，所以滚珠丝杠的转速为 max 11 1500r/min1200r/min 1.25 nn i = = 电机 由机械设计手册可知，当量转速 i n 在 maxmin n与n 之间变化时 maxmin 2 i nn n + = 取 min n为1r/min； 则 12001 600.5r/min 2 i n + = 取 600r/min i n = 则 () 6 6 60 600 15000 540 10 10 i L =转 最大动负载 3 QiPHW FL F f f= 其中 P F 滚珠丝杠的轴向力； i L 寿命值； W f 运动系数； 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 H f 硬度系数。 根据工作负载 P F 寿命 i L ，取 1.2 W f= ； 1 H f= ； 则 () 3 540 1.2 1527.92 1 14930.69 N Q F = = 根据最大动负载 Q F的值，可选择滚珠丝杠的型号。可在机械计手册中查到适 合的滚珠丝杠。型号为CMFZD4006 3.53额定动载荷18800N，所以强度足够用。 （3 ）效率计算 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率 0 为 () 0 tan tan = + 式中 为螺旋升角； 为摩擦角。 0 0 tan L d = 其中 0 L 为滚珠丝杠基本导程； 0 d 为滚珠丝杠的公称直径。 6 arctan2 44 3.14 40 arc = 滚珠丝杠副的滚动摩擦系数0.0030.004f =, 其中摩擦角可计算为 arctan12f= 则 0 2 44 0.93 (2 4412) tg tg = + ? ? （4 ）刚度验算 滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，将引起基本导程 0 L 的变化，因滚珠丝杠 受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量 1 L为 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 35 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 0 0 P F L L ES = 式中 0 L 滚珠丝杠的基本导程()cm； P F 工作负载()N； E弹性模量， 62 20.6 10 N/