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卧式 车床 数控 改造 设计

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卧式车床数控化改造设计,卧式,车床,数控,改造,设计

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目 录目 录第 1 章设计方案的论证31.1数控系统的选择31.2滚珠丝杠螺母副与电机的连接3第 2 章机械部分的改造52.1对机床进行恢复精度52.2X向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算52.2.1滚珠丝杠副支撑方式的选择52.2.2精度选择62.2.3丝杠导程P的确定62.2.4根据类比法初步确定丝杠规格62.2.5承载能力校核62.2.5.1切削力的计算72.2.5.2摩擦阻力F1的计算72.2.5.3承载能力校核82.2.6交流伺服电机选择计算82.2.6.1加减速时扭矩初步确定伺服电机型号92.2.6.2最高转速校核102.2.6.3电机轴上的负载惯量校核112.3Z向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算112.3.1滚珠丝杠副支撑方式的选择112.3.2精度选择112.3.3丝杠导程P的确定112.3.4根据类比法初步确定丝杠规格122.3.5承载能力校核122.3.5.1摩擦阻力F1的计算122.3.5.2承载能力校核122.3.5.3压杆稳定性校核132.3.5.4丝杠刚度的校核142.3.6交流伺服电机选择计算142.3.6.1加减速时扭矩初步确定伺服电机型号142.3.6.2最高转速校核152.3.6.3电机轴上的负载惯量校核162.4溜板箱纵横向滚珠丝杠和导轨润滑162.5通过从厂家所得到的技术资料画纵向和横向滚珠丝杠装配图162.5.1X向和Z向滚珠丝杠装配图的设计过程162.6主轴箱和拖板箱的改造172.7安全防护17第 3 章数控系统的加装183.1交流伺服电机驱动的车床数控系统的选择213.2数控自动换刀刀架的选择24参考文献27 第 20 页卧式车床数控化改造设计第 1 章 设计方案的论证1.1 数控系统的选择方案1 步进电机拖动的开环系统 该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。方案2 交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统 半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。根据数控改造后机床要达到较高的精度，进给方向主切削力（N)脉冲当量（mm）工作台重（N）显示器键盘扩展RAM扩展ROM查阅报告设计计算电机步距角丝杠直径d0导程Ph传动比iZ向26500.011300727626427645351.421.2 滚珠丝杠螺母副与电机的连接方案1 采用齿轮连接 这种方法可以降低丝杠工作台在系统中所占的比重，提高进给系统的快速性。可利用伺服电机高速底转矩的特性。在开环系统中还起到机械和电器的匹配作用。但是，传动装置结构简单降低传动效率增加噪声。传动级数的增加必将带来传动部件间隙和摩擦的增加，从而影响进给系统的性能。传动齿轮副的存在，在开环和半闭环系统中，将影响加工精度。方案2 采用连轴器连接直接连接这是一种最简单的连接，这种形式具有扭转刚度。传动机构本身无间隙。传动精度。而且结构简单。安装方便。在输出扭矩要求在15-40Nm左右的中小型机床或高速加工机床中非常普遍。 综上所素，由于车床属于中小型机床，控制系统采用半闭环，为了提高机床精度方案2 较合适。 第 2 章 机械部分的改造2.1 对机床进行恢复精度机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。更换主轴的齿轮和轴承。根据当前国内外成品数控机床的导轨采用淬硬的合金钢材料，其耐磨性比普通铸铁导轨高5至10倍。据此，在改造中利用车床旧床身，采用GCR15轴承钢淬硬到HRC56-62制成对称三角行导轨和矩形导轨，对称三角行导轨在垂直载荷的作用下，磨损能自动补偿，不产生间隙，故导向精度高。压板还有间歇调整装置。矩形导轨结构简单，制造检验和修理方便，导轨较宽，承载能力大，刚度高，应用广泛。三角行导轨和矩形导轨组合它间有两种导轨优点，并避免了由于热变形所引起的配合变化。用螺钉和粘剂固定在铸铁床身上。粘接前的导轨工作表面采用磨削加工，表面粗糙度Ra0.8mm，以提高粘接强度。最后，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。2.2 X向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算2.2.1 滚珠丝杠副支撑方式的选择X向选择固定-自由式，如图2.1。 图2.1 X向支撑方式单列圆锥滚子轴承这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。所以X向固定端选择一对单列圆锥滚子轴承。2.2.2 精度选择滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,其导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量V300p应小于目标设定位的定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。初选X向三级。2.2.3 丝杠导程P的确定丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为Vmax、伺服电机的最高转速Nmax、及电机与丝杠的传动比i来确定,基本丝杠导程应满足式2.1为:P（2.1） 式中： Vmax=5000mm/min nmax=3000r/min i=1 P=5000/3000=1.7mm车床改造中取P4，5，6，8。 所以取P=4mm 2.2.4 根据类比法初步确定丝杠规格关于根据类比法：L1=L2*K式中 L1新选滚珠丝杠公称直径mmL2-原机床丝杠公称直径25mmK-系数（0.60.9）所以L1=25*0.8=20mm根据工作台X向移动距离选滚珠丝杠的螺纹长350mm，设计需要初选滚珠丝杠总长Lp=400mm。滚珠丝杠的滚珠内循环方式时滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸较小。选用双螺母齿差预紧式可实现定量调整即可进行精密调整，使用中调整非常方便。为了使滚珠丝杠副运转灵活，延长使用寿命，必须考虑充足的润滑条件。汉江丝杠厂已在螺母法兰外圆上考虑了润滑油孔，供顾客使用。所以初选汉江丝杠厂生产的HJG-S系列FYND20*4R-3-P3-400-350。2.2.5 承载能力校核2.2.5.1 切削力的计算车床的用途不同，切削条件和切削用量就不同，因此切削力就不同。對于专门用途的车床改造，应根据其切削用量按切削力计算公式计算切削力。对于变动工作用量的车床改造，用经验公式计算切削力。本车床属于变动工作用量的车床改造，所以用经验公式2.2计算切削力，个切削力之比为公式2.3，切削力方向如图2.2 Fc=0.67D15 （2.2）Fc：Ff：Fp=1:0.1:0.15.（2.3）式中，D为车床床身上的最大回转直径(mm)。Fc为垂直向的切削力（N）Ff为进给方向上的分力（N）Fp为吃刀方向上的分力（N） 图2.2切削力方向D=500(mm)Fc=0.67*50015 = 7490.83NFf=0.1 Fc=0.1*7490.83=749.08NFp=0.15 Fc=0.15*7490.83=1123.62N2.2.5.2 摩擦阻力F1的计算溜板箱与导轨为滑动摩擦，摩擦系数u（0.0802）取u=0.1,因主切削力压向导轨，则由式2.4得：F1=（G+ Fc）*u（2.4）式中G-工作台质量200kgF1=（200*10+7490.83）*0.1=949.08N2.2.5.3 承载能力校核由式2.5计算丝杠的最大动载荷Q Q=（2.5）式中 L为滚珠丝杠的寿命系数（单位为1* ）L=60NT/其中T为使用寿命时间（H）,（普通车床为500010000，数控机床及其他机电一体化设备及装置仪器为15000，航空机械为1000）所以取T=15000，奠基最大转速N=3000为硬度系数（HRC 58时为1.0，等于55时为1.11，52.5时为1.35，50时为1.56，45时为2.40）因为HRC=58，所以=1.0载荷系数（平稳或轻冲击时为1.01.2中等冲击时为1.21.5，较大冲击时为1.52.5）机床属于中等冲击所以=1.2Q-最大动载荷= Fp +F1=1123.62+949.08=2072.68N则Q=28861.57N根据汉江丝杠厂生产的HJG-S系列FYND20*4R-3-P3-400-350丝杠额定载荷=38639Q(所以满足使用)2.2.6 交流伺服电机选择计算 由于交流伺服电机比直流伺服电机有更优越的性能、得到越来越广泛的应用。在选择电机时应考虑满足以下五项要求。以使交流伺服电机的工作性能得以充分发挥。2.2.6.1 加减速时扭矩初步确定伺服电机型号(1) 求等效到电机轴上的转动惯量采用最不利于机床启动时速度，这里选用快速定位速度= 5m/min，=3000r/min，=200kg丝杠的转动惯量=Lp*=7.8*40*=0.5（kg）=0.5*（kg）设电机转子的转动惯量为=0.64*（kg）则等效到电机轴上的转动惯量为：=*200*(5/3000)+ +=1.29*（kg）(2) 丝杠摩擦阻力矩的计算。由于丝杠承受轴向载荷，又由于采取了一定的预紧措施，故滚珠丝杠会产生摩擦阻力矩。但由于滚珠丝杠的效率高，其摩擦阻力矩相对于其他负载力矩小的多，故一般不与考虑。(3) 等效负载转矩。=0.34(Nm)(4)启动惯性阻力矩T的计算。以最不利于电机启动时的快进速度计算，设启动加速或制动时间为t=0.3s电机转速,取加速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为（2.6）=314（1/s） =1046.67（1/） T=1.29*1046.67=0.14(Nm)(5) 电机输出轴上总负载转矩的计算 =T+（2.7）=0.34+0.14=0.48(Nm)(6)上述计算均没考虑机械系统的传动效率，并且在车削时，由于材料的不均匀等因素的影响，会引起负载转矩突然增大，为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大等引起加工误差，可以适当考虑安全系数。安全系数一般在1.2-2之间选取，取安全系数K=1.5，选择机械传动总效率=0.7时 =K/=1.5*0.48/0.7=1.03初选三菱公司生产的HC-KFS系列交流伺服电机43（BG）型号(与之相配的伺服放大器型号MR-J2S-40A/B)其额定转矩为1.3(Nm)大于，所以满足要求。2.2.6.2 最高转速校核快速行程的电机转速必须严格限制在电机的最高转速之内。*（2.8）式中 N max 电机最高转速, r/minN 快速行程中电机转速, r/minV m 工作台(或刀架) 快速行程速度, m/mini 系统传动比, i= N 电机/N丝杠P 丝杠螺距,mmN max= 3000， V m =5，i=1， P=4N=（5/4）*=1250Nmax 所以满足要求。2.2.6.3 电机轴上的负载惯量校核转换到电机轴上的负载惯量负载惯量应限制在2.5 倍电机惯量之内X向HC-KFS系列交流伺服电机43（BG）型号电机转动惯量J1=0.67*（kg） 则等效到电机轴上的转动惯量为：=1.29*（kg）0.67*2.5 所以满足要求。2.3 Z向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算2.3.1 滚珠丝杠副支撑方式的选择由于固定-支承适用于中等转速、高精度。所以Z向选择固定-支承式。如图2.3。图2.3滚珠丝杠副支撑方式Z向的固定端选择一对单列圆锥滚子轴承。Z向支撑端选择一个深沟球轴承。2.3.2 精度选择滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,其导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量V300p应小于目标设定位的定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。初选Z向四级。2.3.3 丝杠导程P的确定丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为Vmax、伺服电机的最高转速Nmax、及电机与丝杠的传动比i来确定,基本丝杠导程应满足式2.1为:P（2.9） vmax=10000mm/min nmax=3000r/min i=1P=10000/3000=3.3 mm 车床改造中取P4，5，6，8所以取P=4mmN=（10/4）*=2500Nmax所以满足要求2.3.4 根据类比法初步确定丝杠规格关于根据类比法：L=L1*K式中 L新选滚珠丝杠公称直径mmL1-原机床丝杠公称直径40mmK-系数（0.60.9）所以L=40*0.8=32mm 根据工作台X向移动距离选滚珠丝杠的螺纹长1000mm 根据设计需要初选滚珠丝杠总长1200mm所以初选汉江丝杠厂生产Z向HJG-S系列FYND32*4R-3-P4-1200-10002.3.5 承载能力校核2.3.5.1 摩擦阻力F1的计算溜板箱与导轨为滑动摩擦，摩擦系数u（0.0802）取u=0.1,因主切削力压向导轨，则由式2.4得：F1=（G+ Fc）*u（2.11）F1=（G+ Fc）*u=（400*10+7490.83）*0.1=1149.08N2.3.5.2 承载能力校核由式2.12计算丝杠的最大动载荷Q Q=（2.12）式中L=60NT/,取T=15000，N=3000；=1.0，=1.2，= Ff +F1=749.08+1149.08=1898.16N则Q=31889.09 N根据汉江丝杠厂生产的HJG-S系列FYND32*4R-3-P4-1200-1000丝杠额定载荷=60803Q(所以满足使用) 2.3.5.3 压杆稳定性校核轴向固定的长丝杠在承受压缩负载时,应校核其压杆稳定性,Z向是长丝杠，所以需要校核。临界压缩载荷按下式进行校核计算:式中:E为丝杠材料的弹性模量;I为最小惯性截面矩为压杆稳定的支撑系数如表2.1固定固定4固定支承2支承支承1固定自由 0.25表2.1 稳定的支撑系数实际承受载荷能力如果时会使死杠失去稳定易发生翘曲。式中 =2，E=2.1*Pa，I= =3.83（）取K=4，L=120cm则=2.51*N(所以满足使用)2.3.5.4 丝杠刚度的校核滾珠丝杠在轴向力的作用下产生拉伸或压缩。在扭矩的作用下产生扭转，这將引起丝杠导程的变化，从而影响其传动精度及定位精度，因此滾珠丝杠应演算满载时的变形量。滾珠丝杠在工作负载P和扭矩M的作用下引起那种每一导程的变化量L为：L=（2.12）式中 导程=0.4cm钢的弹性模量E=2.1*Pa丝杠的最小截面积S=19.63（）丝杠的小径的截面积I=3.83（），扭矩M=784，工作负载P=1898.16N则L= 0.0344um而Z轴的最小移动单位0.001mm 0.0344um (所以满足使用)2.3.6 交流伺服电机选择计算2.3.6.1 加减速时扭矩初步确定伺服电机型号（1）求等效到电机轴上的转动惯量Z向 = 10m/min，=3000r/min，=400kg丝杠的转动惯量=7.8*3*120*=7.58（kg）=7.58*（kg）设电机转子的转动惯量为=2.6*（kg）则等效到电机轴上的转动惯量为=*400*(10/3000)+ +=1.13*（kg）（2） 等效负载转矩。= =1.01(Nm)（3）启动惯性阻力矩T的计算。以最不利于电机启动时的快进速度计算，设启动加速或制动时间为t=0.3s电机转速,取加速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为（2.13）=314（1/s） =1046.67（1/） T=*=1.13*1046.67=1.18(Nm) （4）电机输出轴上总负载转矩的计算 =T+（2.14） =1.01+1.18=2.19(Nm)（5）考虑机械系统的传动效率和由于材料的不均匀等因素的影响引起负载转矩突然增大，情况。取安全系数K=1.5，选择机械传动总效率=0.7时 =K/=1.5*2.19/0.7=4.69初选三菱公司生产的HC-UFS系列交流伺服电机152（B）型号 （伺服放大器型号MR-J2S-200A/B）其额定转矩为7.16(Nm)大于所以满足要求2.3.6.2 最高转速校核Z向N max=3000， V m =10，i=1， P=4N=（10/4）*=2500Nmax所以满足要求2.3.6.3 电机轴上的负载惯量校核转换到电机轴上的负载惯量负载惯量应限制在2.5 倍电机惯量之内,Z向HC-UFS系列交流伺服电机132（BG）型号电机转动惯量J1=4.2*（kg）,等效到电机轴上的转动惯量为：=1.29*（kg）,4.2*2.5 *2.5 所以满足要求。2.4 溜板箱纵横向滚珠丝杠和导轨润滑对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，所以要有合理的导轨防护和润滑。溜板箱纵横向滚珠丝杠和导轨采用重庆第二机床厂生产的间歇式自动润滑系统。2.5 通过从厂家所得到的技术资料画纵向和横向滚珠丝杠装配图2.5.1 X向和Z向滚珠丝杠装配图的设计过程首先选择定位基准，Z向左端选择拆除进给箱后所露出的右侧进给箱定位销和固定平面为新设计的电机架的的定位销和固定平面，进给箱后所露出的右侧进给箱固定罗纹孔为新设计的电机架的的固定罗纹孔。Z向右端选择原丝杠右端轴承座的定位销和固定平面为新设计轴承座的定位销和固定平面，原丝杠右端轴承座的固定罗纹孔为新设计的轴承座的固定罗纹孔。X向选择小拖板的前侧面加工定位平面和加工定位孔为基准。根据定位基准进一步确定其他尺寸。X向装配图如图2.4 Z向装配图如图2.5Z向螺母座1如图2.6 Z向向螺母座2如图2.7 Z向尾座支架图如2.8 Z向电机座内端盖如图2.9 X向端盖图如2.10 X向电机轴图如2.11 X向定位套图如2.12 X向电机座图如2.13X向螺母座图如2.14 2.6 主轴箱和拖板箱的改造拆除原拖板箱，利用此位置安装新拖板箱，新拖板箱除固定滚珠丝杠的螺母外都不要。在主轴箱的二轴加装主轴17位位置编码器。将主轴正反离合器手动刹车装置拆除，在主轴驱动电抗上加装自动刹车离合器装置。电器系统控制电机正反转。拆除原机床操纵杆，变向杠、立轴等杠杆零件。电路连接如电器原理图。原冷却泵该由数控系统控制，如电器原理图。考虑车床工作台Z向的的移动范围，选择IGUS公司的E4系列拖链302型号。2.7 安全防护 高效必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，是不可忽视的。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面密封好，防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。并且滚珠丝杠在使用时，也要防止螺母脱离丝杠表面，因为螺母一旦脱离滚珠将散落，此时滚珠丝杠副不能正常工作，严重时会引起设备事故，因此在主机上必须配置防止螺母脱出的超程保护装置，为了保障机床的运行安全,机床的X向和Z向运动通常设置有软限位（参数设定限位）和硬限位（行程开关限位）两道保护“防线”。 软限位由选择的数空系统参数设定限位，硬限位在X向和Z向分别装一对行程开关，电路连接如电路图。第 3 章 数控系统的加装3.1 交流伺服电机驱动的车床数控系统的选择针对某台或某几台机床，确定它的环境、温度、湿度、灰尘、电源、光线，甚至有否鼠害等外界使用条件，这对选择电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能等可提供正确的依据，使改造后的电气系统有了可靠的使用保证。当然，电气系统的选择必须考虑成熟产品，性能合理、实用，有备件及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国SIEMENS公司、日本FANUC公司，；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。 选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。考虑选择的是三菱公司生产的交流伺服电机和伺服放大器，交流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统。改造后机床要达快速定位X 轴 5m/min ,Z轴 10m/min最小移动单位X 轴0.0005mm , Z轴0.001m，选用了数控自动换刀刀架. 冷却泵由数控系统控制，数控系统控制主轴正反转。采用国际通用码进行数控编程。所以选用北京航天数控系统有限公司最新推出的CASNUC2100E数控系统。3.2 数控自动换刀刀架的选择为了满足在一台机床上一次装夹完成多工序加工，与北京帝特马数控设备公司生产的SYSTEM 5T数控系统相匹配。采用WZD4型自动刀架。该刀架不但可代替普通车床手动刀架，还可用作数控机床微机控制元件。该刀架体积小，重复定位精度高，适用于强力车削并安全可靠。参考文献1 李亚非机床的数控化再制造技术探讨，2006（2）55-57 2 徐宾士21世纪的再制造工程J中国机械工程，2000 （1） 36-38 3 孔凡玉现代工业再制造技术J工程机械， 2003（9） 33-364 周延右世界数控系统的发展与机床数控化改造J机器人（冷加工），1999（5） 3-6 5 郑提机电一体化设计基础M北京机械工业出版社， 1998 6 棼纵华数控技术M机械工业出版社，2004 7 沈兵数控机床数控系统M机械工业出版社， 2001 8 李福生实用数控机床技术手冊M.北京：北京出版社，19939 刘并争机电一体化技术应用实例M.北京：机械工业出版社，199410 戴曙金属切削机床M.北京：机械工业出版社，199411 林其駿机床数控系統M.北京：中国科學技朮出版社，199112 机床手冊編委會.机床设计手冊M.北京：机械工业出版社，198613 李铁尧主编. 金属切削机床. 机械工业出版社， 199014 金针华主编. 组合机床调整及使用. 机械工业出版社， 199015 Ball and Roller Screus. Engineering Material and Design， 197516 Mechanial Drive(Rference Issue). Machine Design. S(2)， 198017 rlovp. Fundamentals of machine design. Moscow: Mir pub， 198718 戴曙主编.金属切削机床.机械工业出版社，199319 陈日曜主编.金属切削原理.械工业出版社，200420 乐兑谦主编.金属切削刀具.械工业出版社， 200421 谢家瀛主编.组合机床设计简明手册.机械工业出版社，199422 大连组合机床研究所编组合机床设计手册. 机械工业出版社， 1991目 录目 录第 1 章设计方案的论证31.1数控系统的选择31.2滚珠丝杠螺母副与电机的连接3第 2 章机械部分的改造52.1对机床进行恢复精度52.2X向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算52.2.1滚珠丝杠副支撑方式的选择52.2.2精度选择62.2.3丝杠导程P的确定62.2.4根据类比法初步确定丝杠规格62.2.5承载能力校核62.2.5.1切削力的计算72.2.5.2摩擦阻力F1的计算72.2.5.3承载能力校核82.2.6交流伺服电机选择计算82.2.6.1加减速时扭矩初步确定伺服电机型号92.2.6.2最高转速校核102.2.6.3电机轴上的负载惯量校核112.3Z向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算112.3.1滚珠丝杠副支撑方式的选择112.3.2精度选择112.3.3丝杠导程P的确定112.3.4根据类比法初步确定丝杠规格122.3.5承载能力校核122.3.5.1摩擦阻力F1的计算122.3.5.2承载能力校核122.3.5.3压杆稳定性校核132.3.5.4丝杠刚度的校核142.3.6交流伺服电机选择计算142.3.6.1加减速时扭矩初步确定伺服电机型号142.3.6.2最高转速校核152.3.6.3电机轴上的负载惯量校核162.4溜板箱纵横向滚珠丝杠和导轨润滑162.5通过从厂家所得到的技术资料画纵向和横向滚珠丝杠装配图162.5.1X向和Z向滚珠丝杠装配图的设计过程162.6主轴箱和拖板箱的改造172.7安全防护17第 3 章数控系统的加装183.1交流伺服电机驱动的车床数控系统的选择213.2数控自动换刀刀架的选择24参考文献27 第 20 页卧式车床数控化改造设计第 1 章 设计方案的论证1.1 数控系统的选择方案1 步进电机拖动的开环系统 该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。方案2 交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统 半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。根据数控改造后机床要达到较高的精度，进给方向主切削力（N)脉冲当量（mm）工作台重（N）显示器键盘扩展RAM扩展ROM查阅报告设计计算电机步距角丝杠直径d0导程Ph传动比iX向26000.005120063762128271285321.561.2 滚珠丝杠螺母副与电机的连接方案1 采用齿轮连接 这种方法可以降低丝杠工作台在系统中所占的比重，提高进给系统的快速性。可利用伺服电机高速底转矩的特性。在开环系统中还起到机械和电器的匹配作用。但是，传动装置结构简单降低传动效率增加噪声。传动级数的增加必将带来传动部件间隙和摩擦的增加，从而影响进给系统的性能。传动齿轮副的存在，在开环和半闭环系统中，将影响加工精度。方案2 采用连轴器连接直接连接这是一种最简单的连接，这种形式具有扭转刚度。传动机构本身无间隙。传动精度。而且结构简单。安装方便。在输出扭矩要求在15-40Nm左右的中小型机床或高速加工机床中非常普遍。 综上所素，由于车床属于中小型机床，控制系统采用半闭环，为了提高机床精度方案2 较合适。 第 2 章 机械部分的改造2.1 对机床进行恢复精度机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。更换主轴的齿轮和轴承。根据当前国内外成品数控机床的导轨采用淬硬的合金钢材料，其耐磨性比普通铸铁导轨高5至10倍。据此，在改造中利用车床旧床身，采用GCR15轴承钢淬硬到HRC56-62制成对称三角行导轨和矩形导轨，对称三角行导轨在垂直载荷的作用下，磨损能自动补偿，不产生间隙，故导向精度高。压板还有间歇调整装置。矩形导轨结构简单，制造检验和修理方便，导轨较宽，承载能力大，刚度高，应用广泛。三角行导轨和矩形导轨组合它间有两种导轨优点，并避免了由于热变形所引起的配合变化。用螺钉和粘剂固定在铸铁床身上。粘接前的导轨工作表面采用磨削加工，表面粗糙度Ra0.8mm，以提高粘接强度。最后，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。2.2 X向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算2.2.1 滚珠丝杠副支撑方式的选择X向选择固定-自由式，如图2.1。 图2.1 X向支撑方式单列圆锥滚子轴承这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。所以X向固定端选择一对单列圆锥滚子轴承。2.2.2 精度选择滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,其导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量V300p应小于目标设定位的定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。初选X向三级。2.2.3 丝杠导程P的确定丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为Vmax、伺服电机的最高转速Nmax、及电机与丝杠的传动比i来确定,基本丝杠导程应满足式2.1为:P（2.1） 式中： Vmax=5000mm/min nmax=3000r/min i=1 P=5000/3000=1.7mm车床改造中取P4，5，6，8。 所以取P=4mm 2.2.4 根据类比法初步确定丝杠规格关于根据类比法：L1=L2*K式中 L1新选滚珠丝杠公称直径mmL2-原机床丝杠公称直径25mmK-系数（0.60.9）所以L1=25*0.8=20mm根据工作台X向移动距离选滚珠丝杠的螺纹长350mm，设计需要初选滚珠丝杠总长Lp=400mm。滚珠丝杠的滚珠内循环方式时滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸较小。选用双螺母齿差预紧式可实现定量调整即可进行精密调整，使用中调整非常方便。为了使滚珠丝杠副运转灵活，延长使用寿命，必须考虑充足的润滑条件。汉江丝杠厂已在螺母法兰外圆上考虑了润滑油孔，供顾客使用。所以初选汉江丝杠厂生产的HJG-S系列FYND20*4R-3-P3-400-350。2.2.5 承载能力校核2.2.5.1 切削力的计算车床的用途不同，切削条件和切削用量就不同，因此切削力就不同。對于专门用途的车床改造，应根据其切削用量按切削力计算公式计算切削力。对于变动工作用量的车床改造，用经验公式计算切削力。本车床属于变动工作用量的车床改造，所以用经验公式2.2计算切削力，个切削力之比为公式2.3，切削力方向如图2.2 Fc=0.67D15 （2.2）Fc：Ff：Fp=1:0.1:0.15.（2.3）式中，D为车床床身上的最大回转直径(mm)。Fc为垂直向的切削力（N）Ff为进给方向上的分力（N）Fp为吃刀方向上的分力（N） 图2.2切削力方向D=500(mm)Fc=0.67*50015 = 7490.83NFf=0.1 Fc=0.1*7490.83=749.08NFp=0.15 Fc=0.15*7490.83=1123.62N2.2.5.2 摩擦阻力F1的计算溜板箱与导轨为滑动摩擦，摩擦系数u（0.0802）取u=0.1,因主切削力压向导轨，则由式2.4得：F1=（G+ Fc）*u（2.4）式中G-工作台质量200kgF1=（200*10+7490.83）*0.1=949.08N2.2.5.3 承载能力校核由式2.5计算丝杠的最大动载荷Q Q=（2.5）式中 L为滚珠丝杠的寿命系数（单位为1* ）L=60NT/其中T为使用寿命时间（H）,（普通车床为500010000，数控机床及其他机电一体化设备及装置仪器为15000，航空机械为1000）所以取T=15000，奠基最大转速N=3000为硬度系数（HRC 58时为1.0，等于55时为1.11，52.5时为1.35，50时为1.56，45时为2.40）因为HRC=58，所以=1.0载荷系数（平稳或轻冲击时为1.01.2中等冲击时为1.21.5，较大冲击时为1.52.5）机床属于中等冲击所以=1.2Q-最大动载荷= Fp +F1=1123.62+949.08=2072.68N则Q=28861.57N根据汉江丝杠厂生产的HJG-S系列FYND20*4R-3-P3-400-350丝杠额定载荷=38639Q(所以满足使用)2.2.6 交流伺服电机选择计算 由于交流伺服电机比直流伺服电机有更优越的性能、得到越来越广泛的应用。在选择电机时应考虑满足以下五项要求。以使交流伺服电机的工作性能得以充分发挥。2.2.6.1 加减速时扭矩初步确定伺服电机型号(1) 求等效到电机轴上的转动惯量采用最不利于机床启动时速度，这里选用快速定位速度= 5m/min，=3000r/min，=200kg丝杠的转动惯量=Lp*=7.8*40*=0.5（kg）=0.5*（kg）设电机转子的转动惯量为=0.64*（kg）则等效到电机轴上的转动惯量为：=*200*(5/3000)+ +=1.29*（kg）(2) 丝杠摩擦阻力矩的计算。由于丝杠承受轴向载荷，又由于采取了一定的预紧措施，故滚珠丝杠会产生摩擦阻力矩。但由于滚珠丝杠的效率高，其摩擦阻力矩相对于其他负载力矩小的多，故一般不与考虑。(3) 等效负载转矩。=0.34(Nm)(4)启动惯性阻力矩T的计算。以最不利于电机启动时的快进速度计算，设启动加速或制动时间为t=0.3s电机转速,取加速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为（2.6）=314（1/s） =1046.67（1/） T=1.29*1046.67=0.14(Nm)(5) 电机输出轴上总负载转矩的计算 =T+（2.7）=0.34+0.14=0.48(Nm)(6)上述计算均没考虑机械系统的传动效率，并且在车削时，由于材料的不均匀等因素的影响，会引起负载转矩突然增大，为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大等引起加工误差，可以适当考虑安全系数。安全系数一般在1.2-2之间选取，取安全系数K=1.5，选择机械传动总效率=0.7时 =K/=1.5*0.48/0.7=1.03初选三菱公司生产的HC-KFS系列交流伺服电机43（BG）型号(与之相配的伺服放大器型号MR-J2S-40A/B)其额定转矩为1.3(Nm)大于，所以满足要求。2.2.6.2 最高转速校核快速行程的电机转速必须严格限制在电机的最高转速之内。*（2.8）式中 N max 电机最高转速, r/minN 快速行程中电机转速, r/minV m 工作台(或刀架) 快速行程速度, m/mini 系统传动比, i= N 电机/N丝杠P 丝杠螺距,mmN max= 3000， V m =5，i=1， P=4N=（5/4）*=1250Nmax 所以满足要求。2.2.6.3 电机轴上的负载惯量校核转换到电机轴上的负载惯量负载惯量应限制在2.5 倍电机惯量之内X向HC-KFS系列交流伺服电机43（BG）型号电机转动惯量J1=0.67*（kg） 则等效到电机轴上的转动惯量为：=1.29*（kg）0.67*2.5 所以满足要求。2.3 Z向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算2.3.1 滚珠丝杠副支撑方式的选择由于固定-支承适用于中等转速、高精度。所以Z向选择固定-支承式。如图2.3。图2.3滚珠丝杠副支撑方式Z向的固定端选择一对单列圆锥滚子轴承。Z向支撑端选择一个深沟球轴承。2.3.2 精度选择滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,其导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量V300p应小于目标设定位的定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。初选Z向四级。2.3.3 丝杠导程P的确定丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为Vmax、伺服电机的最高转速Nmax、及电机与丝杠的传动比i来确定,基本丝杠导程应满足式2.1为:P（2.9） vmax=10000mm/min nmax=3000r/min i=1P=10000/3000=3.3 mm 车床改造中取P4，5，6，8所以取P=4mmN=（10/4）*=2500Nmax所以满足要求2.3.4 根据类比法初步确定丝杠规格关于根据类比法：L=L1*K式中 L新选滚珠丝杠公称直径mmL1-原机床丝杠公称直径40mmK-系数（0.60.9）所以L=40*0.8=32mm 根据工作台X向移动距离选滚珠丝杠的螺纹长1000mm 根据设计需要初选滚珠丝杠总长1200mm所以初选汉江丝杠厂生产Z向HJG-S系列FYND32*4R-3-P4-1200-10002.3.5 承载能力校核2.3.5.1 摩擦阻力F1的计算溜板箱与导轨为滑动摩擦，摩擦系数u（0.0802）取u=0.1,因主切削力压向导轨，则由式2.4得：F1=（G+ Fc）*u（2.11）F1=（G+ Fc）*u=（400*10+7490.83）*0.1=1149.08N2.3.5.2 承载能力校核由式2.12计算丝杠的最大动载荷Q Q=（2.12）式中L=60NT/,取T=15000，N=3000；=1.0，=1.2，= Ff +F1=749.08+1149.08=1898.16N则Q=31889.09 N根据汉江丝杠厂生产的HJG-S系列FYND32*4R-3-P4-1200-1000丝杠额定载荷=60803Q(所以满足使用) 2.3.5.3 压杆稳定性校核轴向固定的长丝杠在承受压缩负载时,应校核其压杆稳定性,Z向是长丝杠，所以需要校核。临界压缩载荷按下式进行校核计算:式中:E为丝杠材料的弹性模量;I为最小惯性截面矩为压杆稳定的支撑系数如表2.1固定固定4固定支承2支承支承1固定自由 0.25表2.1 稳定的支撑系数实际承受载荷能力如果时会使死杠失去稳定易发生翘曲。式中 =2，E=2.1*Pa，I= =3.83（）取K=4，L=120cm则=2.51*N(所以满足使用)2.3.5.4 丝杠刚度的校核滾珠丝杠在轴向力的作用下产生拉伸或压缩。在扭矩的作用下产生扭转，这將引起丝杠导程的变化，从而影响其传动精度及定位精度，因此滾珠丝杠应演算满载时的变形量。滾珠丝杠在工作负载P和扭矩M的作用下引起那种每一导程的变化量L为：L=（2.12）式中 导程=0.4cm钢的弹性模量E=2.1*Pa丝杠的最小截面积S=19.63（）丝杠的小径的截面积I=3.83（），扭矩M=784，工作负载P=1898.16N则L= 0.0344um而Z轴的最小移动单位0.001mm 0.0344um (所以满足使用)2.3.6 交流伺服电机选择计算2.3.6.1 加减速时扭矩初步确定伺服电机型号（1）求等效到电机轴上的转动惯量Z向 = 10m/min，=3000r/min，=400kg丝杠的转动惯量=7.8*3*120*=7.58（kg）=7.58*（kg）设电机转子的转动惯量为=2.6*（kg）则等效到电机轴上的转动惯量为=*400*(10/3000)+ +=1.13*（kg）（2） 等效负载转矩。= =1.01(Nm)（3）启动惯性阻力矩T的计算。以最不利于电机启动时的快进速度计算，设启动加速或制动时间为t=0.3s电机转速,取加速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为（2.13）=314（1/s） =1046.67（1/） T=*=1.13*1046.67=1.18(Nm) （4）电机输出轴上总负载转矩的计算 =T+（2.14） =1.01+1.18=2.19(Nm)（5）考虑机械系统的传动效率和由于材料的不均匀等因素的影响引起负载转矩突然增大，情况。取安全系数K=1.5，选择机械传动总效率=0.7时 =K/=1.5*2.19/0.7=4.69初选三菱公司生产的HC-UFS系列交流伺服电机152（B）型号 （伺服放大器型号MR-J2S-200A/B）其额定转矩为7.16(Nm)大于所以满足要求2.3.6.2 最高转速校核Z向N max=3000， V m =10，i=1， P=4N=（10/4）*=2500Nmax所以满足要求2.3.6.3 电机轴上的负载惯量校核转换到电机轴上的负载惯量负载惯量应限制在2.5 倍电机惯量之内,Z向HC-UFS系列交流伺服电机132（BG）型号电机转动惯量J1=4.2*（kg）,等效到电机轴上的转动惯量为：=1.29*（kg）,4.2*2.5 *2.5 所以满足要求。2.4 溜板箱纵横向滚珠丝杠和导轨润滑对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，所以要有合理的导轨防护和润滑。溜板箱纵横向滚珠丝杠和导轨采用重庆第二机床厂生产的间歇式自动润滑系统。2.5 通过从厂家所得到的技术资料画纵向和横向滚珠丝杠装配图2.5.1 X向和Z向滚珠丝杠装配图的设计过程首先选择定位基准，Z向左端选择拆除进给箱后所露出的右侧进给箱定位销和固定平面为新设计的电机架的的定位销和固定平面，进给箱后所露出的右侧进给箱固定罗纹孔为新设计的电机架的的固定罗纹孔。Z向右端选择原丝杠右端轴承座的定位销和固定平面为新设计轴承座的定位销和固定平面，原丝杠右端轴承座的固定罗纹孔为新设计的轴承座的固定罗纹孔。X向选择小拖板的前侧面加工定位平面和加工定位孔为基准。根据定位基准进一步确定其他尺寸。X向装配图如图2.4 Z向装配图如图2.5Z向螺母座1如图2.6 Z向向螺母座2如图2.7 Z向尾座支架图如2.8 Z向电机座内端盖如图2.9 X向端盖图如2.10 X向电机轴图如2.11 X向定位套图如2.12 X向电机座图如2.13X向螺母座图如2.14 2.6 主轴箱和拖板箱的改造拆除原拖板箱，利用此位置安装新拖板箱，新拖板箱除固定滚珠丝杠的螺母外都不要。在主轴箱的二轴加装主轴17位位置编码器。将主轴正反离合器手动刹车装置拆除，在主轴驱动电抗上加