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C6140型卧式车床的数控化改造总体设计及纵向进给设计【3张CAD图纸+毕业答辩论文】

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关键词：: c6140 卧式车床数控改造总体整体设计纵向进给全套 cad 图纸毕业答辩论文

资源描述：

摘要2

第一章前言3

第二章数控车床设计概述4

第三章 C6140车床数控改造总体设计方案5

第四章纵向进给系统的设计计算9

4.1切削力的计算9

4.2滚动丝杆的设计计算9

4.2.1强度计算9

4.2.2效率计算10

4.2.3刚度计算10

4.2.4稳定性计算11

4.2.5 齿轮及转矩的相关计算12

4.2.6传动惯量的选择13

4.2.7所需转动力矩的计算16

第五章步进电机的选择18

5.1一步进电机的选用原则18

5.1.1步距角19

5.1.2精度20

5.1.3转矩21

5.1.4启动频率24

5.2步进电机的选型26

总结与体会28

致谢词29

参考文献30

摘要

本文针对在普通车床上加工轴类零件存在着生产效率低、要求工人技术水平较高等问题，经过对普通车床机械传动装置的技术改造：即只保留原机床的主传动系统前端，将一台旧普通车床改装成数控机床。

经改装的机床提高了零件的加工精度和自动化程度，使生产效率有了很大的改观，具有投资小、见效快、改装工作量少、制作和调试周期短、旧设备利用率高、且将来不加工此类零件时可较容易恢复机床原有的工作性能等特点，对中小型生产企业的加工具有一定的实际意义。

关键词：车床，改装，自动控制系统，机械加工

ABSTRACT

This paper is aimed to solve the problem of low efficiency，bad accuracy and high demand on the workers technical level，through the technical reform on mechanical drive system An old common lathe is refit into a special equipment by using numerical controlled technique.

The refit machine promoted its processing accuracy and level of automatic control of the parts and greatly improved the productive efficiency and it has the following characteristics:small investment，better efficiency，less refit workload，short period of manufacturing and testing，high utilization rate of old equipment and easily resume its

Former processing function when stopping production of such parts in future，it is of practical importance to the small and middle-sized enterprises.

Keywords: Lathe ，refit，automatic control system，machine.

1前言

我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3％。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，年产值约为18亿元。机床的数控化率仅为6％。这些机床中,役龄10年以上的占60％以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20％，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60％以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。

而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性：

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，从而效率比传统机床提高3～7倍。

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，可实现长时间无人看管加工。

因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。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。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。

本次设计的内容是机床横向伺服进给机构的理论计算、结构设计分析，并撰写毕业设计论文。

设计的目的是培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，提高综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作的基本训练，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能得到训练和提高，培养正确的设计思想、严肃认真的科学态度，加强团队合作精神。

在设计分析中，先通过参观及查阅等了解有关系统的工作原理，作用及结构特点。选择合适的算法，根据计算结果查阅手册，得出相关的结构或零件。

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内容简介：: 兰州理工大学毕业设计（论文）题目： C6140 型卧式车床的数控化改造总体设计及纵向进给设计院（系）：专业：班级：学生姓名：导师姓名：职称：起止时间： nts目录摘要 . 错误 !未定义书签。第一章前言 . 3 第二章数控车床设计概述 . 错误 !未定义书签。第三章 C6140 车床数控改造总体设计方案 . 错误 !未定义书签。第四章纵向进给系统的设计计算 . 错误 !未定义书签。 4.1 切削力的计算 . 错误 !未定义书签。 4.2 滚动丝杆的设计计算 . 错误 !未定义书签。 4.2.1 强度计算 . 错误 !未定义书签。 4.2.2 效率计算 . 错误 !未定义书签。 4.2.3 刚度计算 . 错误 !未定义书签。 4.2.4 稳定性计算 . 错误 !未定义书签。 4.2.5 齿轮及转矩的相关计算 . 错误 !未定义书签。 4.2.6 传动惯量的选择 . 错误 !未定义书签。 4.2.7 所需转动力矩的计算 . 错误 !未定义书签。第五章步进电机的选择 . 错误 !未定义书签。 5.1 一步进电机的选用原则 . 错误 !未定义书签。 5.1.1 步距角 . 错误 !未定义书签。 5.1.2 精度 . 错误 !未定义书签。 5.1.3 转矩 . 错误 !未定义书签。 5.1.4 启动频率 . 错误 !未定义书签。 5.2 步进电机的选型 . 错误 !未定义书签。总结与体会 . 错误 !未定义书签。致谢词 . 错误 !未定义书签。参考文献 . 错误 !未定义书签。 nts 摘要本文针对在普通车床上加工轴类零件存在着生产效率低、要求工人技术水平较高等问题，经过对普通车床机械传动装置的技术改造：即只保留原机床的主传动系统前端，将一台旧普通车床改装成数控机床。经改装的机床提高了零件的加工精度和自动化程度，使生产效率有了很大的改观，具有投资小、见效快、改装工作量少、制作和调试周期短、旧设备利用率高、且将来不加工此类零件时可较容易恢复机床原有的工作性能等特点，对中小型生产企业的加工具有一定的实际意义。关键词：车床，改装，自动控制系统，机械加工 nts ABSTRACT This paper is aimed to solve the problem of low efficiency， bad accuracy and high demand on the workers technical level， through the technical reform on mechanical drive system An old common lathe is refit into a special equipment by using numerical controlled technique. The refit machine promoted its processing accuracy and level of automatic control of the parts and greatly improved the productive efficiency and it has the following characteristics:small investment， better efficiency， less refit workload， short period of manufacturing and testing， high utilization rate of old equipment and easily resume its Former processing function when stopping production of such parts in future， it is of practical importance to the small and middle-sized enterprises. Keywords: Lathe ， refit， automatic control system， machine.nts1 前言我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.6 0.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的数控化率仅为 6。这些机床中 ,役龄 10 年以上的占 60以上； 10 年以下的机床中，自动 /半自动机床不到 20， FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性： 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，从而效率比传统机床提高 3 7 倍。 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，可实现长时间无人看管加工。因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。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。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。本次设计的内容是机床横向伺服进给机构的理论计算、结构设计分析，并撰写毕业设计论文。设计的目的是培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，提高综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作的基本训练，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能得到训练和提高，培养正确的设计思想、严肃认真的科学态度，加强团队合作精神。在设计分析中，先通过参观及查阅等了解有关系统的工作原理，作用及结构特点。选择合适的算法，根据计算结果查阅手册，得出相关的结构或零件。 2 数控车床设计概述用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息变成加工程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具和工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺nts序、轨迹和参数有条件不紊乱地作，从而加工出零件的全部轮廓。数控机床具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需重新编制加工程序即可，原来的程序可存储备用，不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计机床，致使生产准备时间过长。经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。所以，数控车床与普通卧式车床相比应具有有更好的精度以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。数控改造对机械传动系统的要求为：（ 1)尽量采用低摩擦的传动副。如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩擦力。（ 2)选用最佳的降速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能加速达到跟踪指今。（ 3)尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。（ 4)尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节和消除传动齿轮间隙的机构等。（ 5)尽景满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小、传动精度高高、运动平稳、效率高以及传递扭矩大的传动元件。从应用的方面考虑，结合目前国内大多数的情况，可采用更换滚珠丝杠来代替原机床上的 T 型丝杠。也可对原车床上 T型丝杠加以修复，但此时必须相应修配与与此相配合的螺母，尽量减小其间隙，提高配合精度。般说来如原车床的工作性能良好精度尚未降低，则应尽量保留机床的传动系统。使改造后的数控车床同时具有微机控制和原机床操作的双重功能。如原车床使用时间较长运动部件磨损严重除了对导轨精度进行修复外还应将传动部件拆除或更换，以确保改造后车床的传动精度。数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床组成机床本体的各机械部件组成，如图 2.1： nts 电动机的选择 (1)根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。 (2)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取 0.8 0.9。 (3)根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。 (4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。 (5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素。电动机类型和结构型式的选择由于不同的机床要求不同的主轴输出性能 (旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等 )，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。表 1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。表 1.1 理想主轴驱动系统性能项目内容低速区要有足够的转矩宽恒功率范围 ,并在高速范围内保持一定转矩数控装置控制介质测量装置伺服系统机床nts 高性能高旋转精度高动态响应高加减速 ,起制动能力具有强鲁棒性 ,能适应环境条件和参数变化高效率 ,低噪声低价格低购买价格 ,低维护价格 ,低服务价格通用要求耐用性 ,可维护性 ,安全可靠性感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个 kW 到上百 kW，广泛地应用于各种数控机床上。 1、数控技术的产生发展及趋势在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1.1、数控（ NC）阶段（ 1952 1970 年）早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路 “搭 ”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（ HARD-WIRED NC），简称为数控（ NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即 1952 年的第一代电子管； 1959 年的第二代晶体管； 1965 年的第三代小规模集成电路。 1.2、计算机数控（ CNC）阶段（ 1970 年现在）到 1970 年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（ CNC）阶段（把计算机前面应有的 “通用 ”两个字省略了）。到 1971 年，美国 INTEL 公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（ MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称 CPU）。到 1974 年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了 1990 年， PC 机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC 的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代。即 1970 年的第四代小型计算机；1974 年的第五代微处理器和 1990 年的第六代基于 PC（国外称为PCBASED）。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即 CNC）了，而我国仍习惯称数控（ NC）。所以我们日常讲的 “数控 ”，实质上已是指 “计算机数控 ”了。 1.3、数控未来发展的趋势 1.3.1 继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展 nts 基于 PC 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 PC 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。 PC 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。日本、欧盟和美国等针对开放式的 CNC，正在进行前后台标准的研究。 1.3.2 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。 1.3.3 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。（ 1）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。（ 2）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，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（ 3）引入故障诊断专家系统（ 4）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。 2、机床数控化改造的必要性 2.1、微观看改造的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 2.1.1 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。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2.1.2 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 3 7 倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了 “柔性自动化 ”。 2.1.3 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 ”。 2.1.4 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 2.1.5 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。 2.1.6 由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），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。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。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。数控技术已经成为制造业自动化的nts核心技术和基础技术。 2.2、宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、 80 年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、 FMC、 FMS 外，还包括在产品开发中推行 CAD、 CAE、 CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS （管理信息系统）、 CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994 年已达 20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 3、机床与生产线数控化改造的市场 3.1、机床数控化改造的市场我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.6 0.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上； 10 年以下的机床中，自动 /半自动机床不到 20， FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备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。据专家预测，到 2001 年，我国数控机床消费额可达 240.2 亿元。这些需求一方面通过购置新设备来满足，另一方面，如果充分利用我国的现有的存量资产，用更新改造后的设备替代和减少购置新设备，可以起到事半功倍的效果。以240.2 亿元的需求量估计，即使 10的需求通过设备的再生改造来实现，每年也有 24 亿元的市场。 3.2、进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从 1979 1988年 10年间，全国引进技术改造项目就有 18446项，大约 165.8 亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了nts就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 4、数控化改造的内容及优缺 4.1、国外改造业的兴起在美国、日本和德国等发达国家机床工业处于不景气的今天，它们的机床改造却是作为新的经济增长行业，生意盎然，处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个 “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。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的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（ Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有： Bertsche 工程公司、 ayton 机床公司、 Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、 US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（ Retrofitting）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。 4.2、数控化改造的内容机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是 NC 化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成 NC 机床、CNC 机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的 CNC 系统以最新CNC 进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。第三章 C6140 车床数控化改造总体设计方案进给系统的特点是速度低、消耗功率小，而速度越低越易出现爬行现象，一般的倒轨是由于受摩擦力下降的影响，很难满足高精度的要求，特别是对于数控而言更不能适应精度要求。而滚珠丝杠副基本上是滚动摩擦，摩擦阻力小，切摩擦阻力的大小几乎与运动速度完全无关，这样就有效的保证了运动的平稳性，克服了爬行现象、轴向刚度高、寿命长、维护简单且具有传动可逆性并反向精度高等优点故而选用滚珠丝杠螺母副传动。 C6140 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。本设计主要是对 C6140 普通型车床进行数控改造，用微机对纵、横进给系统进行控制。系统可采用开环控制和闭环控制，开环控制虽然有不稳定、振动等缺点，但其成本较低，经济性较好，车床本身所进行的加工尺寸是粗、半精加工。驱动原件采用步进电动机。系统传动主要有：滑动丝杠螺母传动和滚珠丝杠螺母传动两种，经比较分析：前者传动效率及精度较低，后者精度和效率高，但成本nts高，考虑对车床的性能要求，故采用滚珠丝杠螺母传动。刀架性能要求是准确快速的换刀，因此采用自动转位刀架。由于是对车床进行数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用前提下，对同床的改动尽可能少，以降低成本。根据这一原则，决定数控系统采用开环控制；传动系统采用滚珠丝杠螺母传动；驱动元件采用步进电动机；数控系统采用 JWK 型系统；刀架采用自动转位刀架。这样车床既保留原有功能，又减少了改造数量。第四章纵向进给系统的设计计算 1、经济数控车床的设计，采用步进电动驱动纵向进给，有两种方案：一种是步进电机驱动丝杠螺母固定在溜板箱上；第二种是纵丝杠固定、电机安装在溜板箱上，驱动螺母传动。对于车床的改造而言，采用第一种方案显然简单易行。所以步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。从改装方便，实用等方面考虑，所以将步进电机放在丝杠的左端。 2、纵向进给系统的设计计算，已知条件：工作台重量： W=80kgf=800N 时间常量： T=25ms 行程： s=640mm 步驱角： 2=0.75o/step 快速进给速度： Vmax=2m/ms 脉冲当量： 8p=0.01mm/8tep （ 1）切削力的计算由机床设计手册得公式 No=Nd （公式一）其中 NO 为传动件的额定功率 Nd 主电机的额定功率，见使用说明书得： Nd=4.5 kw 从电机到所计算的传动轴的传动效率（不含轴承的效率）从电机到传动轴经过皮带轮和齿轮两种传动件传动，所以 =n1 n2 由机床设计手册得 n1 =0.96 n2=0.99 所以： =0.96 0.99=0.9504 取 =0.95 即 N=4 0.95=3.8（ kw）又因为主传动系统效率一般为 0.6 0.7 之间，所以取 0.65 所以 NC（进给效率） =3.8 0.65=2.47（ kw）由机械加工工艺手册得 Pm= 31060VsFZ 9.8 （公式二） 6120VsFz nts式中 Vs 切削速度，设当其为中等转速，工件直径为中等时，如 D=40mm 时，取 Vs=100m/min 主切削力 FZ = 6120 2.47100 =151.164（ Rgf） =1511.64N 由机床设计手册得主切削力 FZ=CFzapxfx fyfz kfz(经验公式 ) CFzapxfx fyfz kfz (公式三 ) 对于一般切削情况，切削力中的指数 xfx 1 FZ=0.75 Kfz 0 CFZ=188kg/ 2=1880Mpa F2 的计算结果如下： ap( ) 2 2 2 3 3 3 f( ) 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4 Fz(N) 105 1524 1891 1681 2287 2837 nts 为便于计算 ,所以取 Fz=1511.7N,以切削深度 ap=2 走刀量 f=0.3 为以下计算以此为依据。由机械床设计手册得，在一般外圆车削时， Fx（ 0.1 0.6） FZ Fy (0.15 0.7)Fz 取 Fx=0.5 Fz Fy=0.6Fz Fx=0.5 1511.7=755.9(N) Fy=0.6 Fz=0.6 1511.7=907.0(N) （ 2）滚珠丝杠的设计计算由经济型数控机床总设计，综合车床导轨丝杠的轴向力得 P=RGx+f（ Fz+w） (公式四 ) 其中 R=1.15 , f =0.15 0.18 取 f =0.16 P=1.15 755.9+0.16(1511.7+800) =1239.2(N) 1 强度计算寿命值 Li=61060niTi （公式五） ni=oLDvf1000 （公式六）由机床设计手册得 Ti=15000h,原机床丝杠螺距为 60 ， D=80 ni= 14.3680 3.01001000 =19.9 20(r/min) Li=610150002060 =18 最大动负 Q=3Li PfwfH (公式七 ) 其中运载系数 fw=1.2 硬度系数 Fh=1 Q=318 1.2 1239.2 1 =3897.1(N) 根据最大动力负载荷 Q 的值，查表选择滚珠丝杠的型号为 W5010 3.5 1，查表得数控车床的纵向精度为 B级，左旋即型号为 W5010 3.5 1/B 900 1000 其额定载荷是 3970N 2 效率计算根据机械基础得，丝杠螺母副传动效率为 =)4( rtg tgr(公式八 ) nts由机床设计手册得 4 一般为 8 12取 4=10 即：摩擦角 4=10，螺旋升角（中径处） r=3O25 则 = )01523(52300tgtg =0.953 3 刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P引起的导程变化量 L1=EFPLo(公式九 ) 其中 LO=10 =1 E=20.6 106N/ 2 滚珠丝杠横截面积 F=(2a) d 为滚珠丝杠外径 =（25.48） 2 3.14 =18.47( 2) 则 L1=47.181066.20 11.1 2 39 =3.256 10-6 3.27um 查机床设计手册， B 级精度丝杠允许的螺距误差（ 900 螺丝长度）为25nm/m ，因此，丝杠的刚度符合要求。即刚度足够。稳定性验算由于原机床杠径为 30 ，现选用的滚珠丝杠为 50 ，支承方式不变。所以，稳定性不成问题，无需验算。 5 齿轮及转矩的相关计算此齿轮为普通减速器的齿轮且减速器为一般机器，没有特殊要求，从降低成本，减小结构尺寸和易于取材的原则出发，决定小齿轮选用 45 钢调质，齿面硬定为 217 255HBS。大齿轮选用 45 正火，齿面硬度 169 217 HBS。传动比 i=360892OL 其中 2 表示步驱角， 89 表示脉冲当量 i=01.0360 1075.0 =2.1 取齿数 z1=30, Z2=63 模数 m=2mm, 啮合角为 200，小齿轮齿宽为 25，大齿轮齿宽 20 。 d1=mz1=2 30=30 d2=mz2=2 63=126 da1=m(z1+2)=2 (30+2)=64 ntsa=221 dd =212660=93 齿轮传动精度计算齿轮圆周速度 V V=411106dn =410610006014.3 =4.2(m/s) 根据齿轮圆周速度和对噪音的要求确定齿轮精度等级侧隙分别为：小齿轮： 8GJ 大齿轮： 8FL 6 传动惯量的选择工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 J1=(289180兀 )2W =(75.014.3 01.0180 )2 80 = 0.467kg. 2 丝杠的转动惯量 Js=7.8 10-4D4L1=7.8 -4 (50 )4 14.9 =7.26(kg. 2) 齿轮的转动惯量 JZ1=7.8 10-4 (60 )4 2=2.02(kg. 2) JZ1=7.8 10-4 (126 )4 2=39.32(kg. 2) 由于电机的传动惯量很小，一般可忽略不记所以总的传动惯量为 J总 =21i (Js+Jz2)+Jz1+J1 = 21.21 (7.26+39.32)+2.022+0.467 =14.50(kg. 2) =145.0(N. 2) 7 所需转动力矩的计算快速空载启动时所需力矩 M=Mmamx+Mf+MO （公式十二）最大切削负载时所需力矩 M=Mat+Mf+MO+Mt （公式十三）快速进给时所需力矩 M=Mf+MO （公式十四） nts式中 Mmamx 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩。 Mf 折算到电机轴上的磨擦力矩。 MO 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=TJn6.9 10-4（ N.m）其中 T=0.025 (公式十五 ) 当 n=nmax 时， Mamax=Ma nmax=lo iVmax=mmm10 22 =10 22000 =400(r/min) Mamat=025.06.9 4005.14 10-4=24.17(kgf.cm) =241.7(N.cm) nt=lofiD V1000 =108014.3 1.23.01000 =25.08(r/min) Mat=025.06.9 08.255.14 10-4=1.51(kgf.cm) =15.1(N.cm) Mf=iFoLo2=iWLof 2当 =0.8， f =0.16 时， Mf=1.28.014.32 108016.0 mm=1.213(kg.cm) =12.13(kg.cm) MO=iPoLo6(1-o2) 当 =0.9 时，预加荷 PO=31Fx MO=6 )1(2FxLo =1.29.014.36 )9.01(1059.752 mm=0.4033 4.03(N.cm) Mt=ifxLo2=1.29.014.32 159.75 =6.368(kg.cm)=63.68(N.m) 所以，快速空载启动所需力矩 M 快空 = Mamax+Mf+MO nts 241.7+1.213+4.03 =257.86(N.cm) 切削时所需力矩 M 切 = Mat+ Mf+ MO +Mt =15.1+12.13+4.03+63.69 =94.95(N.cm) 快速进给时所需力矩 M 快速 = Mf+MO =12.13+4.03 =16.16(N.cm) 由以上计算可得所需最大力矩 Mamax 发生快速启动时 Mamax= M 快速 =257.86(N.cm) 第五章步进电机的选择 5.1 一步进电动机选用原则合理

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