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C6140车床数控化改造之机械系统改造【4张CAD图纸+毕业答辩论文】

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C6140车床数控化改造之机械系统改造2

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关键词：: c6140 车床数控改造机械系统全套 cad 图纸毕业答辩论文

资源描述：

内容摘要

利用数控系统改造车床是提高老设备利用率的一种重要手段。改造后的机床除了能加工平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件，具有高精、高效及加工面广等特点，还可以减少人工的工作量，只要输入一定的加工程序就可以得到相应的加工结果

本文介绍了一种C6140车床数控改造的机械系统部分改造的一种方案。改造后机床利用微型计算机控制伺服电机转动，纵横向进给运动改造成分别用伺服电机来控制，普通丝杠被改装成一对齿轮和滚珠丝杠，伺服电机带动齿轮运动，再将动能传到滚珠丝杠，滚珠丝杠转动使工作台移动。论文最后对系统的误差及精度进行分析，并提出改进的方法、建议。

关键词：数控改造机械系统开环系统伺服电机

Abstract

Utilizing NC system reforms lathes is an important method to heighten the rate of old equipments. The innovated lathe characterizes high precision 、high efficiency and wide-machining and so forth, and it can save workload .Only some machining program input ,the corresponding result will be done

This article introduces a way of economic NC reform of C6140 lathe at its mechanical system .The reformed system uses microcomputer to control the servo electromotor. The x-axis and y-axis forward-moving systems are controlled by respective electromotor . The ordinary screw lever will be changed into a pair of gears and rolling-bead screw lever. The servo motor will drive gear to move , and then spread the kinetic energy to rolling-bead screw lever, and the rolling-bead screw lever run and move the gears .In the end ,making an analysis on the error margin and the precision and giving methods for amelioration and advice

Key words: NC reform mechanical system open-hoop system servo motor

前言5

正文13

1总体设计方案13

1．1对机床改造的方案13

1．2实现的目标14

2.传动系统的改造15

2．1机械部分的数控化改造15

2．2进给传动系统的改造15

2．2．1改造要求15

2．2．2进给机构的改造15

2．2．3导轨副的改造16

2．3纵向（Ｘ向）进给系统改造16

2．3．1改造要求及目标16

2．3．2纵向进给系统的设计17

2．3．3切削力的计算17

2．3．4滚珠丝杠设计计算18

2．3．5有关齿轮计算19

2．3．6转动惯量的计算20

2．3．7所需转动力矩的计算21

2．4横向（Y向）进给系统设计与计算22

2．4．1切削力计算22

2．4．2滚珠丝杠设计计算:22

2．4．3齿轮及转矩的计算：24

2．4．4转动惯量的计算24

2．4．5所需转动力矩的计算25

3．1步进电机选用的基本原则26

3．2步进电机的选择27

4．分析误差来源28

4．1机械结构原因28

4．2齿轮副误差补偿分析28

4．3滚珠丝杠副误差补偿分析28

结论29

致谢30

前言

由于现代工业的飞速发展，普通机床已经越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求如果设备全部更新换代，不仅资金投入太大成本太高，而且原有设备的闲置又会造成极大的浪费。所以最经济的办法，就是对原有设备进行经济型数控改造。这样既可以提高生产率，改善加工工艺还可以减少资金投入。因此方法对于中小型企业是十分有效的。

该课题来源于生产实践的需要，利用大量闲置旧机床，对起进行数控化改造后，成为一种高效的、多功能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效办法，是低成本自动化的必由之路。

数控技术及数控机床是以数控系统为代表的新技术，对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品：数控机床；其技术范围涉及很多领域：

机械制造技术；信息处理技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件技术等。

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内容简介：: 机械工程学院毕业设计 III 本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目 C6140 车床数控化改造之机械系统改造设计（论文）题目来源自选课题设计（论文）题目类型工程设计类起止时间始 2004-2-8 止 2004-6-23 止 2004-6-24 一、设计（论文）依据及研究意义：机床工业是机器制造业的重要部门，肩负着为农业、工业、科学技术和国防现代化提供技术装备的任务，是使现代化工业生产具有高生产率和先进的技术经济指标的保证。设计机床的目标就是选用技术先进。经济效果显著的最佳可行方案，以获得高的经济效益和社会效益。本次设计是为了对我国现间断所生产的车床进行一些先进技术和数字控制技术的应用。进给运动采用步进电机开环控制系统，此外对主轴转速亦进行数字控制，从而实现机床的完全数字化，实现在加工过程中实现变速，满足在加工过程中不同加工精度范围对转速的要求。数控系统采用廉价的单片机控制技术，以满足普通加工机床对价格的要求。我们这次毕业设计是对大学四年专业知识的综合运用。通过这次设计，更好的掌握了专业知识，对其也有更深入的理解，这对我们将来的工作、学习都是一个莫大的帮助，我们受益匪浅。二、设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线）床身导轨平行度 O 01 mm；纵向导轨在垂直平面内的直线度 O 02 mm；横向导轨的平行度 O 03 mm；溜板移动在水平面内直线度 O 015 mm；重复定位精度， Z轴 O 01 mm， x轴 O 01 mm；定位精度 Z轴 O 02 mm， X轴 0 02 mm；精车外圆精度，圆度 0 005 mm；圆柱度 O 03 mm； nts机械工程学院毕业设计 IV 端面平行度 0 02 ram 300 mm。数控改造后，机床的技术性能只有符合上述要求，才能确保数控设备高精度、高性能、高效率的优点，满足各种通用加工的需要三、设计（论文）的研究重点及难点：本次设计的重点及难点：机械方面在于数控机床的主传动，由于车床为满足不同的加工要求，其对机床的极数要求较为严格，对于较高精度的加工要求，部件的受力变形和热变形对主轴加工精度产生较大的影响，对传动的方式进行一些调整。数字控制技术方面，由于本人的单片机技术知识有限，而且要完成较多的端口部件的控制，设计任务较为繁重，因此花费了较多的时间和精力。设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）：我们所安排的进度如下：完成日期内容图号 2/9-2/23 1.经济型数控车床的外观图 A0（手工） 2/24-3/10 2.经济型数控车床的传动设计 A0（计算机） 3/11-3/26 3.经济型数控车床的主轴箱设计 A0（计算机） 3/27-4/10 4.经济型数控车床纵向进给系统设计 A1（计算机） 4/11-4/18 5.自动转位刀架的设计 A1（计算机） 4/19-5/8 6.经济型数控车床主轴零件图 A0（计算机） 5/9-5/23 7.数控电路图 A1（计算机） 5/24-6/3 8.经济型数控车床设计的说明书 6/4-6/14 9.审图后的返工和修改进行设计（论文）所需条件：这四个月的设计中，我们多次去南华大学金工实习工厂去参观 6132 通用型普通车床。了解它的基本结构，工作原理。对经济型数控车床有了一个整体的概念以后，我们多方面收集资料，在原有的基础上进行创新，这花费了我们不少时间。机械结构的设计暂告一个段落后，我们开始研究经济型数控车床的控制系统部分。我们查阅了许多数控机床控制部分设计的资料，学习了单片机控制原理和对各种芯片的扩展，对各种芯片的控制程序编制，包括对键盘显示器、步进电机驱动电路等专门的芯片扩展。由于时间仓促，对单片机的学习还不够深入，但还是学会了一些芯片的用途和接法。 nts机械工程学院毕业设计 V 四、指导教师意见：签名：年月日 nts - 1 - C6140 车床数控化改造之机械系统改造内容摘要利用数控系统改造车床是提高老设备利用率的一种重要手段。改造后的机床除了能加工平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件，具有高精、高效及加工面广等特点，还可以减少人工的工作量，只要输入一定的加工程序就可以得到相应的加工结果本文介绍了一种 C6140 车床数控改造的机械系统部分改造的一种方案。改造后机床利用微型计算机控制伺服电机转动，纵横向进给运动改造成分别用伺服电机来控制，普通丝杠被改装成一对齿轮和滚珠丝杠，伺服电机带动齿轮运动，再将动能传到滚珠丝杠，滚珠丝杠转动使工作台移动。论文最后对系统的误差及精度进行分析，并提出改进的方法、建议。关键词：数控改造机械系统开环系统伺服电机 nts - 2 - Abstract Utilizing NC system reforms lathes is an important method to heighten the rate of old equipments. The innovated lathe characterizes high precision 、high efficiency and wide-machining and so forth, and it can save workload .Only some machining program input ,the corresponding result will be done This article introduces a way of economic NC reform of C6140 lathe at its mechanical system .The reformed system uses microcomputer to control the servo electromotor. The x-axis and y-axis forward-moving systems are controlled by respective electromotor . The ordinary screw lever will be changed into a pair of gears and rolling-bead screw lever. The servo motor will drive gear to move , and then spread the kinetic energy to rolling-bead screw lever, and the rolling-bead screw lever run and move the gears .In the end ,making an analysis on the error margin and the precision and giving methods for amelioration and advice Key words: NC reform mechanical system open-hoop system servo motor nts - 3 - 目录前言 . 5 正文 . 13 1 总体设计方案 . 13 1 1 对机床改造的方案 . 13 1 2 实现的目标 . 14 2.传动系统的改造 . 14 2 1 机械部分的数控化改造 . 14 2 2 进给传动系统的改造 . 15 2 2 1 改造要求 . 15 2 2 2 进给机构的改造 . 15 2 2 3 导轨副的改造 . 15 2 3 纵向（向）进给系统改造 . 16 2 3 1 改造要求及目标 . 16 2 3 2 纵向进给系统的设计 . 16 2 3 3 切削力的计算 . 17 2 3 4 滚珠丝杠设计计算 . 18 2 3 5 有关齿轮计算 . 19 2 3 6 转动惯量的计算 . 20 2 3 7 所需转动力矩的计算 . 20 2 4 横向（ Y 向）进给系统设计与计算 . 22 2 4 1 切削力计算 . 22 2 4 2 滚珠丝杠设计计算 : . 22 2 4 3 齿轮及转矩的计算： . 23 nts - 4 - 2 4 4 转动惯量的计算 . 24 2 4 5 所需转动力矩的计算 . 25 3 1 步进电机选用的基本原则 . 26 3 2 步进电机的选择 . 27 4分析误差来源 . 28 4 1 机械结构原因 . 28 4 2 齿轮副误差补偿分析 . 28 4 3 滚珠丝杠副误差补偿分析 . 28 结论 . 29 致谢 . 30 nts - 5 - 前言由于现代工业的飞速发展，普通机床已经越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求如果设备全部更新换代，不仅资金投入太大成本太高，而且原有设备的闲置又会造成极大的浪费。所以最经济的办法，就是对原有设备进行经济型数控改造。这样既可以提高生产率，改善加工工艺还可以减少资金投入。因此方法对于中小型企业是十分有效的。该课题来源于生产实践的需要，利用大量闲置旧机床，对起进行数控化改造后，成为一种高效的、多功能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效办法，是低成本自动化的必由之路。数控技术及数控机床是以数控系统为代表的新技术，对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品：数控机床；其技术范围涉及很多领域：机械制造技术；信息处理技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件技术等。机床数控化改造的必要性、目的和背景（ 1）微观看改造的必要性 1）可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 2）可以实现加工的柔性自动化，大大提高加工效率。实现 “ 柔性自动化 ” 加工。 3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要 “ 修配 ” 。 4）可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 5）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 6）降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。此外，机床数控化还是推行 FMC（柔性制造单元）、 FMS（柔性制造系统）以及CIMS （计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。（ 2）宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的机械工业，由于对其机械工业进行信息化改造，使得他们的产品竞争力大为增强。而我国在这方面比发达国家约落后近 20 年，数控nts - 6 - 化率极低。这也说明了数控化改造的必要性。进行经济型数控机床开发，是符合我国国情的有效的机床更新途径。在当前的市场需求多变，竞争激烈的环境中，企业需要迅速地开发出新产品，以低价、好质量、快速去满足市场需求的变化。而数控机床最适宜加工小批量、多品种、高精度、形状复杂、生产周期短的零件；数控机床的柔性化加工，符合产品频繁变化的要求。国内外数控系统发展状况目前，数控技术正由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化上， CAD/CAM 与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。而我国的数控系统为传统的封闭式体系结构， CNC 只能作为非智能的机床运动控制器。 CAD/CAM 和 CNC 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM 中的设定量，因而影响 CNC 的工作效率和产品加工质量。所以，对数控技术实行变革势在必行。数控技术发展趋势数控系统的伺服驱动从直流向交流全数字式转变，系统体系结构从封闭向开放转变，控制系统由专用计算机向通用计算机转变，能根据控制对象迅速、灵活地更改软硬件，具有联网通信功能等，主要就是： 1、智能化 2、网络化 3、集成化 4、微机电控制系统 5、数字化 1）性能发展方向随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。 (1)高速高精高效化采用高速芯片、多 CPU 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，并改善机床动、静态特性等有效措施。 nts - 7 - (2)柔性化包含两方面：数控系统本身的柔性；群控系统的柔性。 (3)工艺复合性和多轴化指一次装夹后，完成多工序、多表面的复合加工，以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工。 (4)实时智能化现代数控机床的智能化发展将通过快速作出实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。基于 CAD 和 CAM 的数控编程自动化。（ 6）发展可靠性最大化。它采用更高集成度的电路芯片，同时通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。 2）功能发展方向 (1)用户界面图形化图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。 (2)科学计算可视化可视化技术与虚拟环境技术相结合，实现无图纸设计、虚拟样机技术等，从而缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本。在数控技术领域，可视化技术可用于 CAD/CAM。 (3)插补和补偿方式多样化插补如直线插补、圆弧插补等。补偿功能如间隙补偿、螺距和测量系统误差补偿、带平滑接近和退出刀具半径补偿等。 (4)内装高性能 PLC 数控系统内装高性能 PLC 控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。 (5)多媒体技术应用可以做到信息处理综合化、智能化。 3) 体系结构的发展（ 1）集成化、模块化、采用高度集成化和大规模可编程集成电路以及专用集成电路 ASIC 芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。（ 2）网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。通用型开放式闭环控制模式采用此模式易于将实时智能技术、网络技术、多媒体技术、 CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等融于一体，从而实现集成化、智能化、网络化。 (3)智能化新一代 PCNC 数控系统它将各高新技术融于一体，形成严密的制造过nts - 8 - 程闭环控制体系。我国机床行业已拥有自主知识产权和从低档到高档次的产品，但是，我国数控机床领域与美国、日本和欧洲还有相当的差距。目前，越来越多的企业都在推广和普及使用数控车床。为降低设备采购成本，一些中小企业通过将普通车床改造为数控车床，不但可以取得较好的应用效果，还可以充分利用旧的普通车床，从而延长了设备的使用寿命，提高了设备的利用率。为使数控改造取得满意的效果，在改造过程中应注意以下几个方面问题。 1 ）普通车床改造的工艺流程一般情况下，机床可以保留的部分包括主轴箱，床身，大、中溜板，尾座等。机床改造前，应先将要改造的机床进行大修处理，大修处理范围包括：主轴箱传动精度调整，主轴径向跳动及轴向窜动精度修复，机床导轨平面度及直线度、卡盘装夹精度调整等，达到一定精度要求后再进行数控改造。数控改造部分包括增加数控装置， X，Z轴驱动器及驱动电机，换装 X， Z轴滚珠丝杠及电动刀架，增加必要的控制电器、开关，冷却液及润滑装置改造等。 2 ）数控装置和驱动方式的选择一般情况下，数控改造有 2种方案：（ 1）步进电机的开环系统方案，系统中没有反馈电路，不带检测装置，控制指令单向传递，系统对工作台的实际偏差不能修正，控制精度取决于步进电机的步进精度和传动机构的精度，其控制精度不高。（ 2）采用伺服电机的半闭环系统，检测元件装在电机轴或丝杠轴的端部 (一般是集成在伺服电机内 )，系统的闭环控制环内不包括机械传动环节，反馈的仅是进给传动系统的部分误差，一般是电机轴或丝杠轴的角位移、角速度经转换处理后成为工作台的实际位移，由于采用高分辨率的反馈检测元件 (主要是编码器 )，且传动部位具有补偿功能，因此，可以获得比较满意的精度与速度。二种方案相比，前者经济性好，后者加工精度较高。采用哪种方案关键要看加工对象的精度要求，如果能够满足零件的加工精度要求，应优先采用步进电机的开环方案，既可以保证零件的加工质量，又可以有效降低改造成本。此外，数控装置的控制nts - 9 - 精度一定要和电机以及滚珠丝杠精度匹配，这样才能实现最佳的加工效果。目前，国内一些数控品牌如广州数控、四维数控、华中数控、新方达等采用步进电机的数控装置都将 PLC集成在数控装置中，改造起来非常方便，控制精度也比较高，许多品牌和型号已经可以达到微米级的控制精度，有着较高的性价比，可以优先选用。 3 数控装置要求数控装置的选择是数控改造的关键，性能过高，功能过多，会造成改造成本的增加，反之如果性能较低，功能较少，则不一定能够满足加工需要，因此，需要结合零件的性能要求和基本属性进行合理选用滚珠丝杠的选用和安装按照循环结构来分，滚珠丝杠可以分为内循环式和外循环式，其中内循环式又可分为浮动式法兰型螺母结构，浮动式法兰、直筒型垫片预紧螺母结构，浮动式法兰、直筒型螺纹预紧螺母结构等；外循环式包括插管埋入式法兰型螺母结构，插管埋入式法兰、直筒型垫片预紧螺母结构。经济型数控改造方案最常用的是内循环浮动式法兰型螺母结构滚珠丝杠，该种结构的丝杠具有成本低，传动精度可靠的优点，缺点是能够承受的额定静、动载荷较低，不适合大余量强力切削。滚珠丝杠的精度一般可以分为 7个等级，即 1， 2， 3， 4， 5， 7， 10级， 1级精度最高，依次逐渐降低，选择的原则也要结合加工零件的精度要求以及与数控装置和电机的控制精度相匹配。一般情况下，传动精度主要有 2个指标，即行程偏差和行程变动量。虽然数控系统可以对滚珠丝杠传动误差进行补偿，但从应用角度来讲，丝杠的传动精度要求也不能过低。对于一般使用要求，滚珠丝杠在任意 300 mm轴向行程内的变动量应不能超过 0 05mm，行程偏差小于 0 02 mm，这样才能确保整个工艺系统的改造精度。滚珠丝杠在安装时应注意调整丝杠间隙，可用百分表测出具体的间隙值，在加工程序中予以补偿或重新调整丝杠间隙。丝杠两端轴承座及其连接处刚性要好，否则易产生丝杠轴向窜动，造成工件加工过程中轴向或径向尺寸不稳定。驱动器和驱动电机如果采用步进电机驱动方案，驱动器和驱动电机可采用三相混合式步进电机驱动器和驱动电机 (目前国内一些品牌驱动器已采用五相混合式 )，驱动器结构一般为高速单片机嵌入式，通过优化电路，提高控制性能；驱动方式采用 PWM(脉宽调制 )恒流斩波控制，三相正弦波电流输出，并提供零位信号输出；应具备矢量细分技术，电机每转细分应不小于 12 000脉冲 (0 03。 )以确保驱动精度的可靠性，并具备完善的过载、nts - 10 - 过热、过压、短路等保护功能；控制精度要与 CNC装置的控制精度和滚珠螺母丝杠精度相匹配；功放电压应达到 DC300 V，以确保电机高速运转时仍有高转矩输出；具备掉电相位记忆功能，驱动断电后自动记忆当前相位；位置脉冲方式为单双脉冲控制，整半步运行模式；步进电机要求低速运行平稳，最高转速不小于 1 500 r min，以满足高速加工的需要；额定功率、额定转矩、最大转矩可视比，可以优先选用。主轴调速改造普通机床进行数控改造时主轴调速一般有自动和手动 2种方案可供选择，自动方案是主轴电路上增加主轴变频器，通过在程序中指令设定，调整变频器输出频率，从而达到改变电机运行频率和速度的目的，采用变频器变频的最大优点是可以采用机床原来的主轴普通电机，方便的进行转速调控，因而改造成本较低；缺点是普通电机通过变频在较低转速运行时，运行稳定性较差，不利于提高零件的加工精度，因此，采用此种方法进行主轴变速时不能设定太低的转速。如果零件加工确实需要在低转速情况下进行，且加工精度有一定要求，则应将主轴电机更换为专用变频电机。如果采用手工变速方案，则不需要对主轴传动系统的电路做任何改制，只需要在变速的程序段指令前加暂停指令 (Go4或 MO)，使机床暂时停止运行，手工调整主轴箱转速后，继续执行后面程序指令加工零件即可。数控装置应具备以下基本性能要求。 1）硬件的要求数控装置应能满足交流伺服、混合式步进、反应式步进等多种驱动系统的要求。采用 16位以上的 CPU，主频速度较高，大规模的 CPLD可编程芯片，以确保复杂曲面的插补计算速度；液晶显示屏幕可尽量大一些，以方便进行编程、数据的观察；中文菜单全屏幕编辑，具备快捷键功能，操作简单；具有试刀、对刀功能，可实现任意点起动，任意点结束；具有刀补、换刀、主轴倍率、进给倍率功能；若对切削有特殊需要，还应考虑增加 D A无级变速功能，使之满足恒线速切削要求。 2）对性能的要求控制精度应小于 0 01 mii1，加工程序存储量应不小于 32 kB并具有断电保护功能；工作状态应包括文件管理、空运行、手动、自动、回零、 MDI及对刀等基本的功能；编程方式包括增量编程和绝对编程，能实现各坐标反向间隙补偿及刀具补偿；可实现直线插补、圆弧插补、螺纹插补、循环加工等基本 G指令，以满足零件结构多样nts - 11 - 化加工需要； T(刀具 )功能完备，一般应具有 8刀位控制， 8组刀补功能，并可实现换刀偏置、试切对刀、自动补偿等功能； M功能完备，应可实现 4个停止指令 (MOO， M01，M02， M30)、主轴正反转、发信、程序跳转、子程序调用等。 3 ）对通信接口的要求由于数控装置程序存储量有限，为方便地实现程序的输入、输出和外部存储，数控装置上最好具有通信接口，常用的 RS232接口就可以满足其要求。 4 ）对参数设定功能的要求参数设定功能应包括设定工件号、快进速度、刀架反转时间、主轴最高转速、顺序号增量、间隙补偿、换刀偏置等，通过对上述参数的设置，可使编程及对丝杠和刀具参数的设置更加方便，有利于加工效率和加工精度的提高。 5 ）文件管理功能基本的文件管理功能应包括程序段号、容量的显示，可以使程序段清晰并及时提醒操作者对程序进行管理；全屏幕程序编制、检查和修改使编程操作舒适方便；程序诊断、复制、删除等功能，可实现程序管理的简便以及对程序的校验和相似程序的复制修改。 6）对通信接口的要求由于数控装置程序存储量有限，为方便地实现程序的输入、输出和外部存储，数控装置上最好具有通信接口，常用的 RS232接口就可以满足其要求。 7）对参数设定功能的要求参数设定功能应包括设定工件号、快进速度、刀架反转时间、主轴最高转速、顺序号增量、间隙补偿、换刀偏置等，通过对上述参数的设置，可使编程及对丝杠和刀具参数的设置更加方便，有利于加工效率和加工精度的提高。 8) 冷却液及润滑系统改造一般情况下，不需要对机床原来的冷却系统进行特殊改动，从经济性上考虑，可以采用手工打开却液泵进行加工过程中零件的冷却，如果有特殊要求，一般 CNC系统上都有冷却液接口，可通过 PLC设置，实现冷却液的自动开关。机床润滑系统改造可以采用加装润滑泵，通过 PLC设定润滑时间的方法进行改造，润滑时间可设定为工作若干时间进行润滑加油的定时润滑方式，这样可极大地降低手工润滑的劳动强度，提高设备的保养水平。 nts - 12 - 9)电器系统改造如果改造的车床使用年限已经较长，可以利用数控改造将现有的电器部分进行更新。如果设备没有特殊的功能要求，电器改造比较简单，主要增加的电器元件包括主轴、丝杠电机变压器， X， Z轴驱动器，电动刀架控制器，以及必要的控制开关、继电器等，若主轴有变速需要，则需要增加变频电机或变频器。 10)数控改造后机床应达到的基本技术要求无论是采用步进电机的开环系统还是采用伺服电机的半闭环系统，数控改造后机床的主要技术性能必须满足如下要求：床身导轨平行度可知，主切削力 FZ=CFZapXFZfYfzKFZ 查表得： CFZ=188kgf/mm2=1880Mpa XFZ=1 YFZ=0.75 KFZ=1 则可计算 FZ如表 2-2所示：表 2-2 ap(mm) 2 2 2 3 3 3 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=0.3，以次参数作为下面计算的依据。从机床设计手册中可知，在一般车削外圆时： FX=（ 0.10.6） FZ FY=（ 0.1540.7） FZ 取 FX=0.5 FZ =0.5*1527.6=763.8N nts - 18 - FY=0.6 FZ=0.6*1527.6=916.5N 2 3 4 滚珠丝杠设计计算综合导轨车床丝杆的轴向力： P=K FX+f”(FZ+W) 式中 K+1015， f =0.150.18,取 K=0.16。则： P=1.15*763.8+0.16（ 1527.6+800） =1250.8N (1)强度计算：寿命值 Li=60niTi/106 Ni=n 主 f/L0=1000vf/( DL0) 取工件直径 D=80mm，查表得 Ti=15000h 则： ni=100*100*0.3/(3.14*80*6)=20r/min Li=18 最大动负载 Q= Li3 PfWfh 查表得运转系数 fW=1.2 硬度系数 fH=1 则 Q=318 *1.2*1*1250.8=3933.6N 根据最大动负载荷 Q的值，可以选择滚珠丝杠的型号。参照汗江机床厂的产品样本选取 FC1B 系列，滚珠丝杠直径为 32 ,型号为 FC1B32 6 5 E2，其额定动载荷是 10689N，所以强度足够。 (2)效率计算根据机械原理公式，丝杠螺母副的传动效率为： )(/ tgtg 式中摩擦角 =10 螺旋升角 3 25 )(/ tgtg =0.935166 (3)刚度验算：滚珠丝杠工作负载 p引起的道程变化量 nts - 19 - L 1=EFPL0式中 L0=6mm=0.6cm: E=20.6 166N/cm2 滚珠丝杠截面积 F= )2(d2 =（ 2.8031/2）2 3.14 则 L1=14.3)28031.2(1066.26.08.1250= 5.9 10-6 滚珠丝杠受扭拒引起的导程变化量很小，可忽略，即 L= L1，所以：导程变形总误差为 =100/ L0 L=100/0.6*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：由于机床原丝杆直径为 30mm，现选用的滚珠丝杠直径为 32mm，支撑方式不变，所以稳定性不存在问题，可不进行验算。 2 3 5 有关齿轮计算传动比 I= L0/360 P=0.75*6/(360*0.01)=1.25 齿轮材料极其许用应力的确定：小齿轮用 45#表面淬火齿面硬度为 45HRC 大齿轮用 45#调质处理，表面硬度为 220HBS。因 Hlim1=1120Mpa, Hlim2=550Mpa SH=1.1 故 H1=1190Mpa H2=500Mpa 因 Flim1=240Mpa Flim2=190Mpa SF=1.3 F1=185Mpa F2=146Mpa 齿面接触强度设计设齿轮按 8级精度选，取载荷系数 K=1.5 齿宽 a=0.4 nts - 20 - 粗取 Z1=32 Z2= Z1i=23*1.25=40 满足误差要求，取齿轮压力角 a=200粗选模数 m=2 则小齿轮直径 d1=m Z1=64mm 大齿轮直径 d2=m Z2=80mm da1=d1+2ha*=68mm da2=d2+2ha*=68mm 中心距 a=m(Z1+Z2)/2=72mm 齿宽为大齿轮 b2= a*a=30mm 小齿轮 b1=35(补偿安装误差 ) 2 3 6 转动惯量的计算工作太折算到电机轴上的转动惯量： J1=（ 180 P/ ） 2W=（ 180*0.01/3.14*0.75） 2*80=0.468kg.cm2=4.68N.cm2 丝杠的转动惯量： JS=7.8*10-4D4L1=114.75N.cm2 齿轮的转动惯量： JZ1=7.8*10-4*6.44*2=26.17N.cm2 JZ2=7.8*10-4*84*2=63.9N.cm2 电机的转动惯量很小可忽略。因此总的转动惯量： J=（ JS+ JZ2） /i2+ JZ1+ JS=145.19N.cm2 2 3 7 所需转动力矩的计算快速空载启动时所需力矩 M=Mamx+Mf+M0 最大切削负载所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt 快速进给时所需力矩 M= Mf+M0 式中 Mamx 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩： nts - 21 - 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=(Jn/9.6T)*10-4N.m 当 n=nmax=Ma nmax=vmaxi/L0=416.7r/min Mamax=2.52N.m=25.72kgf.cm 当 n=nt时 Ma=Mat: nt=n 主要的 ft/L0=01000iV fDL =24.88r/min Mat =0.1505N.m=1.536kgf.cm Mf= 0 0 0F22L f W Lii 当 =0.8 f =0.16 时 Mf=12.23N.cm M0=00F2Li-(1- 20) 当0=0.9 时预加载荷 P0=3/1FS 则 M t=00F2Li=76.38*0.6/(2*3.14*0.8*1.25)=0.462kg.cm=72.97N.cm 所以，快速空载起动所需力矩 M=Mamax+Mf+M0=274.05N.cm 切削时所需力矩： M= Mf+M0+Mamax=105.18 快速进给时所需力矩 M= +Mf+M0=16.85N.cm 由以上分析计算可知：所需最大力矩 Mmax发生在快速启动时， nts - 22 - Mamax=27.405kgf.cm=274.05N.cm 2 4 横向（ Y向）进给系统设计与计算横向进给系统的设计经济型数控改造的横向进给系统的横向进给系统的设计比较简单，一般是步进电机安装在大拖板上，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，已知条件：工作台重（估算） W=40kgf=300N 时间常数 : T=4mm 左旋行程 mm 脉冲当量步矩角 step 快速进给速度 vmax=1m/min 2 4 1 切削力计算横向进给量为纵向的，取，则切削力约为纵向力的 kgf=763.8N 在切断工件时： y=0.5FZ=0.5*76.38=38.19kgf=381.9N 2 4 2 滚珠丝杠设计计算 : （ 1）强度计算：对于燕尾型导轨： Fy+f (FZ+W) 取 f =0.2 则（） kgf=747.4N 寿命值 i niTi/106=13.5 最大动负载 3iiL fHP=213.55kgf=2135N 根据最大负荷的值，可选择滚珠丝杠的型号滚珠丝杠直径为 mm,型号为 c1B204-5-E2左，其额定动负荷，所以强度足够用 nts - 23 - 效率计算：根据机械原理公式，丝杠螺母副的传动效率为： )(/ tgtg 式中摩擦角 =10 螺旋升角 3 28 )(/ tgtg =0.956 （ 2）刚度验算：滚珠丝杠工作负载 p引起的道程变化量 L 1=EFPL0式中 L0=4mm=0.4cm: E=20.6 1 106N/cm2 滚珠丝杠截面积 F= )2(d2 = 27419.1 3.14 则 L1=26 7419.1106.2014.344.01074.74 = 5.9610-6 滚珠丝杠受扭拒引起的导程变化量很小，可忽略，即 L= L1，所以：导程变形总误差为 =100/ L0 L=100/0.4*5.96*10-6=14.9 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。（ 3）稳定性验算：由于选用滚珠丝杠的直径不变，而支撑方式由原来的一端固定，一端悬空，变为一端固定，一端径向支撑，所以稳定性增强，故不在验算 2 4 3 齿轮及转矩的计算：传动比 I= L0/360 P=0.75*4/(360*0.005)=1.67 齿轮材料极其许用应力的确定：小齿轮用 45#表面淬火齿面硬度为 45HRC 大齿轮用 45#调质处理，表面硬度为 220HBS。因 Hlim1=1120Mpa, Hlim2=550Mpa nts - 24 - SH=1.1 故 H1=1190Mpa H2=500Mpa 因 Flim1=240Mpa Flim2=190Mpa SF=1.3 F1=185Mpa F2=146Mpa 齿面接触强度设计设齿轮按 8 级精度选，取载荷系数 K=1.5 齿宽 a=0.4 粗取 Z1=18 Z2= Z1i=18*1.67=30 满足误差要求，取齿轮压力角 a=200粗选模数 m=2 则小齿轮直径 d1=m Z1=36mm 大齿轮直径 d2=m Z2=60mm da1=d1+2ha*=40mm da2=d2+2ha*=64mm 中心距 a=m(Z1+Z2)/2=96mm 齿宽为大齿轮 b2= a*a=40mm 小齿轮 b1=45(补偿安装误差 ) 2 4 4 转动惯量的计算工作太折算到电机轴上的转动惯量： J1=（ 180 P/ ） 2W=（ 180*0.005/3.14*0.75） 2*3/100=0.0439kg.cm2 丝杠的转动惯量： JS=7.8*10-4D4L1=0.624kg.cm2 齿轮的转动惯量： JZ1=7.8*10-4*3.6*2=0.262kg.cm2 JZ2=7.8*10-4*64*2=2.022kg.cm2 电机的转动惯量很小可忽略。因此总的转动惯量： J=（ JS+ JZ2） /i2+ JZ1+ JS=1.258kg.cm2 nts - 25 - 2 4 5 所需转动力矩的计算快速空载启动时所需力矩 M=Mamx+Mf+M0 最大切削负载所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt 快速进给时所需力矩 M= Mf+M0 式中 Mamx 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=(Jn/9.6T)*10-4N.m 当 n=nmax=Ma nmax=vmaxi/L0=416.7r/min Mamax=0.2184N.m=2.23kgf.cm 当 n=nt时 Ma=Mat: nt=n 主要的 ft/L0=01000iV fDL =33.17r/min Mat =0.0174N.m=0.1775kgf.cm Mf= 0 0 0F22L f W Lii 当 =0.8 f =0.2 时 Mf=0.028N.cm M0=00F2Li-(1- 20) 当0=0.9 时预加载荷 P0=3/1FS 则 nts - 26 - M t=00F2Li=38.19*0.4/(2*3.14*0.8*5)=0.287kg.cm=0.028N.cm 所以，快速空载起动所需力矩 M=Mamax+Mf+M0=2.633N.cm 切削时所需力矩： M= Mf+M0+Mamax=24.04N.cm 快速进给时所需力矩 M= +Mf+M0=4.03N.cm 由以上分析计算可知：所需最大力矩 Mmax发生在快速启动时， Mamax=2.633kgf.cm=26.33N.cm 3 步进电机的选择 3 1 步进电机选用的基本原则合理选择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的选择，基本原则如下（ 1）、步矩角 mn/i 式中 i传动比； mn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距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选用的步进电机应满足 i 式中 m步进电机的积累误差； s系统对步进电机驱动部分允许的角度误差（ 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：）启动力矩一般启动力矩选取为： M5.03.0 0rM 式中 Mq电动机启动力矩 ; ML0电动机静负载荷 nt

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