C616型普通车床改造经济型数控机床设计（含全套CAD图纸） .pdf

目录 序言 3 1 计方案的确定 4 2 计任务 4 3 体设计方案的确定 4 二 械部分改造与设计 4 1 向进给系统的设计与计算 4 2 向给系统的设计与计算 10 三 进电机的选择 13 一 步电机选用的基本原则 13 二 进电机的选择 14 四 床导轨改造 15 五 自转位刀架的选用 16 六 经济型数机床改造时数控系统的选用 17 七 典型零件工艺设计及应用程序的编制 18 一 艺分析 18 二 工坐标系的设定 19 三 动钻孔 19 四 制加工程序 19 小结 21 参考文献 22 论文附全套cad图纸 如需联系qq 401339828 序言序言 毕业设计是学生完成本专业的最后一个极为重要的实践性教学环 节 是使学生综合运用所学过的基本理论 基本知识与基本技能去解决 专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练 这对学生即将从事 的有关技术工作和未来的开拓具有一定意义 其主要目的是 1 学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力 拓宽和深化学生的知识 2 学生树立正确的设计思路 设计构思和创新思维 掌握工程设计 的一般程序 规范和方法 3 学生正确使用技术资料 国家标准 有关手册 图册等工具书 进 行设计计算 数据处理 编写技术文件等方面的工作能力 4 学生今昔功能调查研究 面向实际 面向生产 向工人和工程技 术人员学习的基本工作态度 工作作风和工作方法 摘 摘 要要 本课题是围绕将普通机床改造成经济型数控机床展开设计的 经济型数控机床 是指价格低廉 操作使用方便 适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机 床 中小型企业为了发展生产 常希望对原有旧机床进行改造 实现数控化 自动 化 经济型数控机床系统就是结合现实的的生产实际 结合我国国情 在满足系统 基本功能的前提下 尽可能降低价格 价格便宜 性能价格比适中是其最主要的特 点 特别适合在设备中占有较大比重的普通车床改造 适合在生产第一线大面积推 广 企业应用经济型数控型系统对设备进行改造后 将提高产品加工精度和批量生 产的能力 同时又能保持 万能加工 和 专用高效 这两种属性 提高设备自身对产 品更新换代的应变能力 增强企业的竞争能力 利用微机改造现有的普遍车床 主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给 和手工控制的刀架转位 进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给加 工车床 即经济型数控车床 进行数控机床的改造是非常有必要的 数控机床可以很好地解决形状复杂 精 密 小批量及多变零件的加工问题 能够稳定加工质量和提高生产效率 但是数控 机床的运用也受到其他条件的限制 如 数控机床价格昂贵 一次性投资巨大等 因此 普通车床的数控改造 大有可为 它适合我国的经济水平 教育水平和生产 水平 已成为我国设备技术改造主要方向之一 现我选用c616普通车床为例进行数控改造 关键词 关键词 c616普通机床 数控改造 纵向进给 横向进给 机床外形改造 abstrct this topic is revolves the ordinary engine bed to transform theeconomy numerical control engine bed to launch the design the economynumerical control engine bed is refers to the price to be inexpensive the operation easy to operate suits our country national condition tobe loaded with the simple numerical control system the highlyeffective automated engine bed the small and medium sized enterprisein order to expand the production often hoped carries on thetransformation to the original old engine bed realizes the numericalcontrol the automation the economy numerical control engine bedsystem is unifies the reality the production reality unifies ourcountry national condition in satisfies the system basic functionunder the premise reduces the price as far as possible the pricesmall advantage the performance price are more moderate than is itsmost main characteristic specially suits in the equipment holds angreater proportion the conventional lathe to transform suits in theproduction first line big area promotion the enterprise applicationeconomy numerical control system carries on the transformation afterthe equipment will increase the product processing precision and thevolume production ability simultaneously will be able to maintain the multi purpose processing and special purpose is highlyeffective these two kind of attributes will enhance equipmentoneself to the product renewal strain capacity the enhancemententerprise s competitive ability keywords the c616 ordinary engine bed the numerical control transformation longitudinal enters for crosswise enters for the engine bed contourtransformation 一 设计方案的确定一 设计方案的确定 c616型车床是一种加工效率高 操作性能好 社会拥有量大的普通车床 实践 证明 把这种车床改造为数控车床 已经收到了良好的经济效果 1 设计任务 本设计任务是对c616普通车床进行数控改造 利用微机对纵横进给系统进行开 环控制 纵向脉冲当量为0 01mm 脉冲 横向脉冲当量为0 005mm 脉冲 驱动元件 采用步进电机 传动系统采用滚珠丝杠副 刀架采用自动转位刀架 二 总体设计方案的确定 由于是经济型数控改造 所以在考虑具体方案时 基本原则是在满足使用要求 的前提下 对机床的改动尽可能减少 以降低成本 根据c616车床有关资料以及数控 车床的改造经验 确定总体方案为 采用微机对数据进行计算处理 由i o接口输出 步进脉冲 经一级齿轮减速后 带动滚珠丝杠转动 从而实现纵向 横向进给运动 二 机械部分改造设计与计算二 机械部分改造设计与计算 1 纵向进给系统的设计 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那么高 而从改造方便 实用方面来考虑 一般把步进电 机放在纵向丝杠的右端 2 纵向进给系统的设计计算 已知条件 工作台重量 w 80kgf 80n 根据图纸粗略计算 时间常数 t 25ms 滚珠丝杠基本导程 l0 6mm 行程 s 640mm 脉冲当量 p 0 01mm step 步距角 0 75 step 快速进给速度 vmax 2mm min 1 切削计算 由 机床设计手册 可知 切削功率 nc n k 式中 n 电机功率 查机床说明书 n 4kw 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k 0 96 则 nc 4 0 65 0 96 2 496kw 又因为 nc fz 所以 式中 v 切削线速度 取v 100m min 主切削力 fz 152 76 kgf 1527 6 n 由 金属切削原理 可知 主切削力 fz cfz ap x fz f y fz kfz 查表得 cfz 188kgf mm 2 1880mpa xfz 1 yfz 0 75 kfz 1 则可计算fz 如表 1 所示 表 1 fz计算结果 ap mm 2 2 2 8 8 8 f mm 0 2 0 3 0 4 0 2 0 3 0 4 fz n 1125 1524 1891 1687 2287 2837 当fz 1520n 时 切削深度ap 2mm 走刀量f 0 3mm 以此参数做为下面计算的依 据 从 机床设计手册 中可知 在一般外圆车削时 fx 0 1 0 6 fz fz 0 15 0 7 fz 取 fx 0 5 fz 0 5 1527 6 763 8n fy 0 6 fz 0 6 1527 6 916 5n 2 滚珠丝杠设计计算 综合导轨车床丝杠的轴向力 p kfx f fz w 式中 k 1 15 f 0 15 0 18 取为0 16 则 p 1 15 763 8 0 16 1527 6 800 1250 8n 1 强度计算 寿命值 l1 n1 取工件直径 d 80 mm 查表得t i 15000h 则 n1 20r min l1 18 最大动负载 q 查表得 运转系数 fw 1 2 硬度系数 fh 1 则 q 1 2 1 1250 8 39933 6n 根据最大动负载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fc1b系列 滚珠丝杠直径为 32mm 型号为fc1b32 6 5 e2 其额定动载荷是10689n 所以强度足够用 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 式中 摩擦角 10 螺旋升角 3 25 则 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 l1 式中 l0 6mm 0 6cm e 20 6 16 6 n cm 2 滚珠丝杠截面积 f 2 2 3 14 则 l1 5 9 10 6 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 l2很小 可忽略 即 l l1 所以 导程变形总误差 为 2 5 9 10 6 9 8 m m 查表知e级精度丝杠允许的螺距误差 1m长 为15 m m 故刚度足够 4 稳定性验算 由于机床原丝杠直径为 30mm 现选用的滚珠丝杠直径为 32 mm 支承方式不变 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 1 25 故取 z1 32mm z2 40 m 2mm b 20mm 20 d1 m z1 2 32 64mm d2 m z2 2 40 80mm d 1 d1 2ha 68mm d 2 d2 2ha 84mm 72 2 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 j1 2 w 2 80 0 468 2 4 68n 2 丝杠的转动惯量 js 7 8 10 4 d 4 l1 7 8 10 4 3 2 4 140 3 11 475 2 114 75n 2 齿轮的转动惯量 jz1 7 8 10 4 6 4 4 2 2 617 2 26 17 n 2 jz2 7 8 10 4 8 4 2 6 39 2 63 9 n 2 电机转动惯量很小可以忽略 因此 总的转动惯量 j js jz2 jz1 j1 11 475 6 39 2 617 0 468 14 519 2 145 19n 2 3 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 m mamax mf m0 最大切削负载时所需力矩 m mat mf m0 mt 快速进给时所需力矩 m mf m0 式中 mamax 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩 mf 折算到电机轴上的摩擦力矩 m0 由于丝杠预紧所引起 折算到电机轴上的附加摩擦力矩 mat 切削时折算到电机轴上的加速度力矩 mt 折算到电机轴上的切削负载力矩 ma 10 4 n m 当n nmax时 mamax ma nmax 416 7r min mamax 10 4 2 52n m 25 72 f 当n nt时 ma mat nt 24 88r min mat 10 4 0 1505n m 1 536 f mf 当 0 0 8 f 0 16时 mf 1 223 f m0 1 0 2 当 0 0 9时预加载荷p0 fx则 m0 0 462 f 4 62n mt 7 297 f 72 97 n 所以 快速空载启动时所需力矩 m mamax mf m0 25 72 1 223 0 462 27 405 f 274 05n 切削时所需力矩 m mat mf m0 mt 1 536 1 223 0 462 7 297 10 518 f 105 18 n 快速进给时所需力矩 m mf m0 1 223 0 462 1 685 f 16 85 n 由以上分析计算可知 所需最大力矩mmax发生在快速启动时 mmax 27 405 f 274 05 n 二 横向进给系统的设计和计算 1 横向进给系统的设计 经济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单 一般是步进电机经减速后驱 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 30 f 300n 时间常数 t 25ms 滚珠丝杠基本导程 l0 4 左旋 行程 s 190 脉冲当量 p 0 005 step 步距角 0 75 step 快速进给速度 vmax 1m min 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 fz 0 5 152 76 76 38 f 763 8n 在切断工件时 fy 0 5 fz 0 5 76 38 38 19 f 381 9n 2 滚珠丝杠设计计算 1 强度计算 对于燕尾型导轨 p kfy f fz w 取k 1 4 f 0 2 则 p 1 4 38 19 0 2 76 38 30 74 74 f 747 4n 寿命值 l1 13 5 最大动负载 q 213 55 f 2135 5n 根据最大动负载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fc1b系列 滚珠丝杠公称直径为 20 型号为fc1b20 4 5 e2左 其额定动负载为5393n 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 0 956 3 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载p引起的导程的变化量 l1 5 96 10 6 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 l2很小 可忽略 即 l l1所以导 程变形总误差为 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 齿轮及转矩有关计算 1 有关齿轮计算 传动比 i 故取 z1 18 z2 30 m 2 b 20 20 d1 36 d2 20 d 1 40 d 1 64 a 48 2 传动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 j1 2 丝杠的转动惯量 js 7 8 10 4 d 4 l1 7 8 10 4 2 4 50 0 624 2 齿轮的转动惯量 jz1 7 8 10 4 3 6 4 2 0 262 2 jz2 7 8 10 4 6 4 2 2 022 2 电机转动惯量很小可以忽略 因此 总的转动惯量 j 1 258 2 3 所需转动力矩计算 nmax mamax n m 2 23 f nt 33 17r min mat 0 0174 n m 0 1775 f mf 0 287 f 0 028 n m m0 0 116 f 0 011 n m mt 1 824 f 0 182 n m 所以 快速空载启动时所需转矩 m mamax mf m0 2 23 0 287 0 116 2 633 f 26 33n 切削时所需力矩 m mat mf m0 mt 0 1774 0 287 0 116 1 824 2 404 f 24 04 n 快速进给时所需力矩 m mf m0 0 287 0 116 0 403 f 4 03 n 从以上计算可知 最大转矩发生在快速启动时 mmax 2 633 f 26 33 n 三 步进电机的选择三 步进电机的选择 一 步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 式中 i 传动比 min 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 所以选用不进电机应满足 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 mq 式中 mq 电动机启动力矩 ml0 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 mjm为步进电机的 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 相数 3 3 4 4 5 5 6 6 运行 方式 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12 mg mjm 0 5 0 866 0 707 0 707 0 809 0 951 0 866 0 866 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 3 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 ft fcp m 式中 ft 极限启动频率 fcp m 要求步进电机最高启动频率 二 步进电机的选择 1 c616纵向进给系统步进电机的确定 mq 685 125 n 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 mq mjm 0 866所以 步进电机最大静转矩mjm为 mjm 791 14 n 步进电机最高工作频率 fmax hz 综合考虑 查表选用110bf003型直流步进电机 能满足使用要求 4 c616横向进给系统步进电机的确定 mq n 电动机仍选用三相六拍工作方式 查表知 mq mjm 0 866 所以 步进电机最大静转矩mjm为 mjm n 步进电机最高工作频率 fmax 3333 3 hz 为了便于设计和采购 仍选用110bf003型直流步进电机 能满足使用要求 四 机床导轨改造四 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 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 ptee 贴塑软带 如美国生产的twrcite b和我 国生产的tsf软带材料 次 此种软带厚度为0 8 1 6 3 2 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1 6 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 五 自动转位刀架的选用五 自动转位刀架的选用 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 工艺性能袄等优点 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 ld4 工型系列四工位自动刀架 c616适配刀架 刀架技术参数 刀位数 4 电动功率 60w 电机转速 1400r min 夹紧力 1t 上刀体尺寸 152 152 下刀体尺寸 161 171 技术指标 重复定位精度 0 005 工作可靠性 30000次 换刀时间 90 180 270 2 9s 3 4s 3 9s 六 经济型数控机床改造时数控系统选用六 经济型数控机床改造时数控系统选用 数控系统是一台数控机床的核心 对系统的选择在机床数控改造中是至关重要 的 现从系统的经济性和实用性选择为开环伺服系统为jwk 15t 现将该经济性数控系统性能参数列表如下 1 生产厂家 南京微分电机厂江南机床数控工程公司 2 用户容量 24k 3 设定单位 x 0 005 z 0 01 4 控制轴数 x z两轴 5 联动轴数 二轴 6 编程尺寸 9999 99 7 快速 x z 向 316 8 g功能 g00 g04 g22 g29 g32 g33 g36 g37 g9 g80 g92 9 m功能 m00 m09 m20 m29 m92 m99 10 s功能 s01 s04 s05 s10 11 t功能 t1x t8x 12 步进电机 220v 10 50hz 13 控制精度 1步 14 功耗w 360 15 环境温度 0 40 c 16 相对温度 80 25 c 17 外 形 尺 寸 340 400 220 18 系统重量 17 kg 七 典型零件的工艺设计及应用程序编制七 典型零件的工艺设计及应用程序编制 所需加工零件的材料为45号钢 加工零件如下图所示 一一 工艺分析工艺分析 1 该零件分七个工步来完成加工 即先用 16的麻花钻来钻孔 再粗车外圆 第三步粗镗孔 第四步精镗内孔 第五步精车外圆 第六步车m30的细牙螺纹 螺距 f 0 75 最后切断 2 较为突出的问题是如何保证 38 18和长度50的尺寸公差 长度方向的中 间凹槽 粗车 粗车刀的副偏角大于45 棒料伸出三爪卡盘65mm装夹工件 3 选择01号车刀 副偏角大于45 02号螺距纹刀 03号内孔镗刀 04号割 槽刀共四把刀 4 g73进行外圆粗加工时 单边粗车吃刀量1 75 u 1 75 r是切削次数4次 精车余量0 5mm g71进行内孔粗加工时 单边粗车吃刀量1mm u 1 r退刀量的值0 5mm 精车余量 0 5mm 二二 工件坐标系的设定工件坐标系的设定 选取工件的右端面的中心点o为工件坐标系的原点 三三 手动钻孔手动钻孔 夹好工件 用 16的麻花钻手动钻孔 孔深55mm 四四 编制加工程序编制加工程序 n001 g94g54t1 m03s700m08 n002 g00z0x32 n003 g01x 1f30 n004 g00z1x30 6 n005 g01z 44f80 n006 g00x31z1 n007 g00x27 n008 go1z 22 4f80 n009 g00x28z1 n010 g00x25 n011 g01z 22 4f80 n012 g00x26z1 n013 g00x23 9 n014 g01z 20 n015 g00z1x25 n016 g00x80z120m09m05 n017 t2m06m08m03 n018 g00z0x24 n019 g01x2 5f30 n020 g01x23 9 chf 2 n021 g01z 8f80 n022 g01x22z 9 6 n023 g01z 19 8 n024 g01x24 6 n025 g01x27 n026 g01x30 5z 38 4 n027 g01z 44 n028 g00x31z 8 n029 g00x24 n030 g01x23 9 n031 g01x20 8z 9 6 n032 g01z 19 8 n033 g02x24 6z 22 4cr 5 6f50 n034 go1x30 4z 38 4 n035 g01z 44 n036 g00x80z100m09m05 n037 t3m06m08m03