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普通车床的数字化改造设计【全套10张CAD图纸+毕业论文】【原创资料】

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摘要

本次设计是对旧机床数控化进给系统的改造的设计。在这里主要包括:主传动系统的设计、纵向进给系统的设计、横向进给系统的设计。而我主要是针对横向进给系统的设计纵向进给系统进行机械设计。

主传动系统设计的数控机械设计。要求的经济型数控改造加工精度不高，为简化结构，降低成本。通过控制横向进给系统，确保机床的定位，直线插补，圆弧插补的设计，和暂停。传动效率是机床的要求，采用步进电机通过联轴器驱动丝杆；为了保证传动精度和一定的稳定性，尽量减少摩擦，滚珠丝杠副的选择。

关键词：车床，数控设计，联轴器，滚珠丝杠

Abstract

ThisdesignisaboutthecommonLathetransformationofNC.Maintasksare:thetransformationofthemaintransmissionsystem,thetransformationoftheverticalfeedingsystem,horizontalfeedsystemreform.WhileIwasmainlyaimatthelateralfeedingsystemmechanicaltransformation.Thegraduationprojectonthedesignofthebasicskillstraininghasimprovedtheanalysisandtheabilitytosolveengineeringproblems,andcreateacertainconditionforgeneralmechanicaldesign.

NCtransformationismainlyatransformationofmechanicaldrivesystem.BecauseoftheeconomylessprecisionCNCmachining,itisordertosimplifythestructureandreducecosts.Bycontrollingthecross-feedsystem,itensuresthemodifiedlathewithpositioning,linearinterpolation,circularinterpolation,andpause.Requiredfortherealizationofthetransmissionefficiencyofmachinetool,weshouldusasteppingmotordriveandthenscrewthroughthecoupling.Toensureacertaindegreeofdrivingaccuracyandstabilityandminimizefriction,aballscrewpairisneeded.

Keywords:lathe,NCTransformation,Coupling,BallScrew

摘要III

AbstractIV

第一章绪论1

1.1课题背景1

1.2机床改造的内容及意义2

1.3普通车床的数字化改造主要解决的问题3

第二章数控系统的选择4

2.1数控系统的选择4

2.2 GSK980T车床数控系统的组成部分6

2.3 电气控制原理6

第三章纵向进给伺服进给结构设计8

3.1确定脉冲当量8

3.2切削力的计算8

3.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型9

3.3.1精度的选择9

3.3.2丝杠导程的确定9

3.3.3最大工作载荷的计算9

3.3.4最大动载荷的计算10

3.3.5滚珠丝杠螺母副的选型10

3.3.6滚珠丝杠副的支承方式11

3.3.7传动效率的计算11

3.3.8刚度的验算11

3.3.9稳定性校核12

3.3.10临界转速的验证12

3.4齿轮传动的计算13

3.5步进电动机的选择13

第四章横向进给伺服进给结构设计16

4.1切削力的计算16

4.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型16

4.2.1最大工作载荷的计算16

4.2.2最大动载荷的计算16

4.2.3滚珠丝杠螺母副的选型17

4.2.4滚珠丝杠副的支承方式17

4.2.5传动效率的计算17

4.2.6刚度的验算17

4.2.7稳定性校核18

4.2.8临界转速的验证18

4.3进给伺服系统传动计算18

4.3.1确定传动比18

4.3.2齿轮参数的计算18

4.4.步进电机的计算和选用19

4.4.1转动惯量的计算19

4.4.2电机力矩的计算20

4.5步进电机的选择21

第五章主轴交流伺服电机22

5.1 拟定传动方案22

5.2 主轴的变速范围23

5.3初选主轴电机的型号23

5.4主轴电机的校核23

第六章元件的选择25

6.1主轴系统的方案确定25

6.2安装电动卡盘25

6.3 SZGDBM01光电编码器25

6.3.1 概述25

6.3.2 主要技术性能25

6.4数控刀架/AK21系列刀架26

结论28

参考文献29

致谢31

第一章绪论

1.1课题背景

机械制造业在世界经济发展中，作为基础产业，具有重要的地位。为此，各国的经济学家和企业家在不断探索新形势下的各种先进制造技术及制造业的发展战略。作为制造业核心的机床制造业则是支柱的基石，是任何行业都不可或缺的。产生与发展的社会、经济基础(1)我国现有的、数以万计的陈旧、落后的机床是机床大修与数控化改造行业产生的现实基础我国是一个发展中国家，由于长期自身机制的不适应性，经济实力过低、技术落后、设备陈旧，极大地制约着国民经济的发展。为尽快改变我国机械制造业的落后状态，近二十多年来，我们在艰难地发展民族机床制造业的同时，积极地引进了世界先进技术与设备。一方面与世界先进机床制造厂合作，不断生产出具有世界先进水平的各类机床；另一方面直接购进了大量的各类机床。这一切都为我国国民经济的快速发展起到了巨大的作用。

但是，机床长期运转甚至超负荷使用，同时又缺少认真的维修与保养，造成机床严重磨损，丧失了精度；有些机床则由于企业人员及产品结构的改变，或由于技术力量不足而被长期闲置，需要使用时却发现早已锈迹斑斑，电控系统不能起动；由于新产品制造的需要，原有机床性能已不能满足使用要求，急需更新升级改造；由于世界计算机及网络技术的飞速发展，造成数控系统、驱动系统厂的产品更新加快，原有产品过早停产，给备件更换与维修带来一定困难；况且数控系统的使用寿命一般在5～10年，而我国大多数机床都在超期服役。这些诸多因素都需要对机床进行大修及数控化升级改造。

CA6140车床数控改造装配图（总装图）.png

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横向滚珠丝杠.png

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内容简介：: 本科毕业设计（论文）普通车床的数字化改造【用GSK980T数控系统】学院专业班级学生姓名学生学号指导教师提交日期年月日 VI华南理工大学广州学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本人完全了解华南理工大学广州学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照有关要求提交学位论文的印刷本和电子版本；华南理工大学广州学院图书馆有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用复印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的的前提下，可以公布论文的部分或全部内容。学位论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日作者联系电话：电子邮箱：VI摘要本次设计是对旧机床数控化进给系统的改造的设计。在这里主要包括:主传动系统的设计、纵向进给系统的设计、横向进给系统的设计。而我主要是针对横向进给系统的设计纵向进给系统进行机械设计。主传动系统设计的数控机械设计。要求的经济型数控改造加工精度不高，为简化结构，降低成本。通过控制横向进给系统，确保机床的定位，直线插补，圆弧插补的设计，和暂停。传动效率是机床的要求，采用步进电机通过联轴器驱动丝杆；为了保证传动精度和一定的稳定性，尽量减少摩擦，滚珠丝杠副的选择。关键词：车床，数控设计，联轴器，滚珠丝杠AbstractThisdesignisaboutthecommonLathetransformationofNC.Maintasksare:thetransformationofthemaintransmissionsystem,thetransformationoftheverticalfeedingsystem,horizontalfeedsystemreform.WhileIwasmainlyaimatthelateralfeedingsystemmechanicaltransformation.Thegraduationprojectonthedesignofthebasicskillstraininghasimprovedtheanalysisandtheabilitytosolveengineeringproblems,andcreateacertainconditionforgeneralmechanicaldesign.NCtransformationismainlyatransformationofmechanicaldrivesystem.BecauseoftheeconomylessprecisionCNCmachining,itisordertosimplifythestructureandreducecosts.Bycontrollingthecross-feedsystem,itensuresthemodifiedlathewithpositioning,linearinterpolation,circularinterpolation,andpause.Requiredfortherealizationofthetransmissionefficiencyofmachinetool,weshouldusasteppingmotordriveandthenscrewthroughthecoupling.Toensureacertaindegreeofdrivingaccuracyandstabilityandminimizefriction,aballscrewpairisneeded.Keywords:lathe,NCTransformation,Coupling,BallScrew目录摘要IIIAbstractIV第一章绪论11.1课题背景11.2机床改造的内容及意义21.3普通车床的数字化改造主要解决的问题3第二章数控系统的选择42.1数控系统的选择42.2 GSK980T车床数控系统的组成部分62.3 电气控制原理6第三章纵向进给伺服进给结构设计83.1确定脉冲当量83.2切削力的计算83.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型93.3.1精度的选择93.3.2丝杠导程的确定93.3.3最大工作载荷的计算93.3.4最大动载荷的计算103.3.5滚珠丝杠螺母副的选型103.3.6滚珠丝杠副的支承方式113.3.7传动效率的计算113.3.8刚度的验算113.3.9稳定性校核123.3.10临界转速的验证123.4齿轮传动的计算133.5步进电动机的选择13第四章横向进给伺服进给结构设计164.1切削力的计算164.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型164.2.1最大工作载荷的计算164.2.2最大动载荷的计算164.2.3滚珠丝杠螺母副的选型174.2.4滚珠丝杠副的支承方式174.2.5传动效率的计算174.2.6刚度的验算174.2.7稳定性校核184.2.8临界转速的验证184.3进给伺服系统传动计算184.3.1确定传动比184.3.2齿轮参数的计算184.4.步进电机的计算和选用194.4.1转动惯量的计算194.4.2电机力矩的计算204.5步进电机的选择21第五章主轴交流伺服电机225.1 拟定传动方案225.2 主轴的变速范围235.3初选主轴电机的型号235.4主轴电机的校核23第六章元件的选择256.1主轴系统的方案确定256.2安装电动卡盘256.3 SZGDBM01光电编码器256.3.1 概述256.3.2 主要技术性能256.4数控刀架/AK21系列刀架26结论28参考文献29致谢31第一章绪论第一章绪论1.1课题背景机械制造业在世界经济发展中，作为基础产业，具有重要的地位。为此，各国的经济学家和企业家在不断探索新形势下的各种先进制造技术及制造业的发展战略。作为制造业核心的机床制造业则是支柱的基石，是任何行业都不可或缺的。产生与发展的社会、经济基础(1)我国现有的、数以万计的陈旧、落后的机床是机床大修与数控化改造行业产生的现实基础我国是一个发展中国家，由于长期自身机制的不适应性，经济实力过低、技术落后、设备陈旧，极大地制约着国民经济的发展。为尽快改变我国机械制造业的落后状态，近二十多年来，我们在艰难地发展民族机床制造业的同时，积极地引进了世界先进技术与设备。一方面与世界先进机床制造厂合作，不断生产出具有世界先进水平的各类机床；另一方面直接购进了大量的各类机床。这一切都为我国国民经济的快速发展起到了巨大的作用。但是，机床长期运转甚至超负荷使用，同时又缺少认真的维修与保养，造成机床严重磨损，丧失了精度；有些机床则由于企业人员及产品结构的改变，或由于技术力量不足而被长期闲置，需要使用时却发现早已锈迹斑斑，电控系统不能起动；由于新产品制造的需要，原有机床性能已不能满足使用要求，急需更新升级改造；由于世界计算机及网络技术的飞速发展，造成数控系统、驱动系统厂的产品更新加快，原有产品过早停产，给备件更换与维修带来一定困难；况且数控系统的使用寿命一般在510年，而我国大多数机床都在超期服役。这些诸多因素都需要对机床进行大修及数控化升级改造。(2)新进的大批二手机床成为机床大修及数控化改造行业的催化剂自改革开放以来，许多企业引进了一大批国外淘汰的旧机床，虽然有一部分尚能满足使用要求，但是多数由于缺少经验、技术、资料及备件等因素，造成虽廉价购进但却不能继续发挥作用而闲置的尴尬局面。其中不乏有为改造后投入使用而引进的旧机床和生产线。这里多数的二手机床只要再有适当的资金投入，经过大修改造即可发挥作用。(3)显著的经济效益是机床大修及数控化改造行业的发展动力对于机床拥有者来说，只需花费购买相同新机床30%以下的费用即可获得相同的使用效果。根据国际该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%左右的价格。对于机床大修改造业内公司来说，这不仅为他们的服务企业产生巨大社会经济效益，而且也是他们自身生存和发展的根本动力。(4)机床大修及数控化改造的优势是该行业生存与发展的有利条件旧机床的大修、翻新、升级改造与购买新机床相比有优势。1.2机床改造的内容及意义数字控制机床又称为机床数控化改造，这是一种将数字计算机技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置，经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。机床数控化改造较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性、高效能的自动化机床，是典型的机电产品。机床数控化改造能缩短生产准备时间，增加切屑加工时间的比率；使用机床数控化改造进行生产，加工的零件精度高，产品质量稳定,从而有效的提高了产品在市场上的竞争力；机床数控化改造具有广泛的适应性和较大的灵活性，因此能够完成很多机床数控化改造很难完成或者根本不能加工的、具有复杂型面、要求高精度的零件的加工；许多机床数控化改造如加工中心具有自动换刀功能，使零件一次装夹之后就能够完成多个加工部位的加工，实现了一机多用，大大节省了设备和厂房面积；生产者可以对生产成本进行预算，并对生产进度进行合理的安排，以达到提高经济效益的目的；应用机床数控化改造进行生产，减轻了工人的劳动强度，提高了工人工作的环境质量，增加了工人的生产积极性，促进了生产，提高了生产效率。数控改造化车床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的机床数控化改造，约占机床数控化改造总数的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等回转体零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能切槽、钻、扩、铰孔的加工。由于数控改造化车床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控改造化车床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要比普通车床要宽得多。1.精度要求高的回转体零件由于数控改造化车床刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以铣代磨。2.表面粗糙度要求高的回转体零件数控改造化车床具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控改造化车床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。3.轮廓形状特别复杂和难于控制尺寸的回转体零件由于数控改造化车床具有直线和圆弧插补功能，部分车床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的回转体零件。1.3普通车床的数字化改造主要解决的问题解决形状复杂、精密、多品种及中小批零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，随着制造技术向自动化、柔性化方向的发展，当前机床的数控化率已成为衡量一个国家制造工业水平的重要标志。但目前我国数控机床的广泛应用受到一些条件的限制。有关统计资料表明，目前我国机床总拥有量为378万台，其中数控机床只有8万多台，远远低于美国、日本、德国、韩国等制造业发达国家机床数控化率20以上的水平。国内数控设备严重失衡的原因：数控机床价格昂贵，一次性投资大，对中小型企业常是心有余而力不足；同时各企业有大量的普通机床，如果全部用数控机床来代替也将造成很大的浪费。要较好地解决问题，用数控技术对普通机床进行改造，是既适合我国国情又能提高机床数控化率的一条有效途径，是我国尤其在中西部欠发达地区企业设备技术改造的主要方向之一。改造的方案普通机床的数控化改造一般是指对现有普通机床的某些部位做一些改装，再配上经济型数控装置或标准型数控系统，从而使原机床具有数控加工的能力。普通机床数控化改造后较改造前机床的自动化程度高、专业性强、加工精度及生产率都有很大的提高；改造机床的费用比购买数控机床的费用低、经济性好、生产周期短。改造中应完成的两项主要工作是：增加数控系统和进行机械系统的改造。数控系统的选择控制方式选择目前数控系统控制方式主要有种类型：步进电机拖动的开环系统、异步电机或电机光栅测量反馈的闭环数控系统和交伺服电机拖动编码器反馈的半闭环数控系统。其中步进电机拖动的开环系统，其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。该系统位移精度较低，但结构简单、调试维修方便、质量稳定可靠、成本低、抗干扰性能强、对环境室温要求不高，易改装成功，适用于精度要求一般的中小型机床的改造，这是目前数控改造中应用最为广泛的一种.27第二章数控系统的选择第二章数控系统的选择2.1数控系统的选择数控机床是一种先进的加工设备，它以高精度、高可靠性、高效率、可加工复杂曲面工件等特点得到广泛应用。但若选型不当，则不能发挥其应有的效益，且使资金大量积压，从而产生风险。广义的选型主要包括机型选择、数控系统选择、机床精度选择、主要特征规格选择等。其中机型选择和数控系统选择风险最大，机床精度和主要特征规格选择次之，故要减少选型风险，可从以下几方面着手。一、机型选择在满足加工工艺要求的前提下设备越简单风险越小，车削加工中心和数控车床都可以加工轴类零件，但一台满足同样加工规格的车削中心价格要比数控车床贵几倍，如果没有进一步工艺要求，肯定选择数控车床风险较小。同样在经济型和普通型数控车床中要尽量选择经济型数控车床。二、数控系统选择在选购数控机床时，同一种机床本体可配置多种数控系统。在可供选择的系统中，性能高低差别很大，直接影响到设备价格构成。目前数控系统种类、规格极其繁多，进口系统主要有日本FANUC、德国SINUMERIK、日本MITSUBISHI、法国NUM、意大利FIDIA、西班牙FAGOR、美国A-B等。国产系统主要有广州系统、航天系统、华中系统、辽宁蓝天系统、南京大方系统、北方凯奇系统、清华系统、KND系统等，每家公司都有一系列各种规格的产品。减少数控系统选型风险的基本原则是：性能价格比大，使用维修方便，系统的市场寿命长。因此不能片面追求高水平、新系统。而应该以满足主机性能为主，对系统性能和价格等作一个综合分析，选用合适系统。同时应逐渐少选传统的封闭体系结构的数控系统或PC嵌入NC结构的数控系统，因为这类系统的功能扩展、改变和维修都必须借助于系统供应商。应尽可能选用NC嵌入PC结构或SOFT结构的开放式数控系统，这类系统的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部1/O之间的标准化通用接口，就像计算机上可以安装各种品牌的声卡、显卡和对应的驱动程序一样，用户可以在WINDOWSNT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的功能，构成各种类型的数控系统。另外数控系统中基本功能以外还有很多选择功能，用户可以根据自己的工件加工要求、测量要求、程序编制要求等，额外再选择一些功能列入订货合同附件中，特别是实时传输的DNC功能等。三、精度选择数控机床精度等级的选择取决于典型零件的加工精度。一般数控机床精度检验项目都有2030项，但其最有特征的项目是：单轴定位精度、单轴重复定位精度、两轴以上联动加工出来试件的圆度。定位精度和重复定位精度综合反映了该轴各运动部件的综合精度。单轴定位精度是指在该轴行程内任意一个点定位时的误差范围，它直接反映了机床的加工精度能力，而重复定位精度则反映了该轴在行程内任意定位点的定位稳定性，这是衡量该轴能否稳定可靠工作的基本指标。以上两个指标中，重复定位精度尤为重要。目前数控系统中软件都有丰富的误差补偿功能，能对进给传动链上各环节系统误差进行稳定的补偿。如丝杠的螺距误差和累计误差可以用螺距补偿功能补偿，进给传动链的反向死区可用反向间隙补偿来消除。但电控方面误差补偿功能不可能补偿随机误差（如传动链各环节的间隙、弹性变形和接触刚度等因素变化产生的误差），它们往往随着工作台的负载大小、移动距离长短、移动定位速度的快慢等反映出不同的运动量损失。在一些开环和半闭环进给伺服系统中，测量元件以后的机械驱动元件，受各种偶然因素影响，也有相当大的随机误差影响，例如滚珠丝杠热伸长引起的工作台实际定位位置漂移等。所以重复定位精度的合理选择可大大减少精度选择风险。铣削圆柱面精度或铣削空间螺旋槽（螺纹）精度是综合评价该机床有关数控轴（两轴或三轴）伺服跟随运动特性和数控系统插补功能的指标，评价指标采用测量加工出的圆柱面的圆度。在数控铣床试切件中还有铣斜方形四边加工，这也是判断两个可控轴在直线插补运动时精度的一种方法。对于数控铣床，两轴以上联动加工出来试件的圆度指标也不容忽略。定位精度要求较高的机床还必须注意它的进给伺服系统采用半闭环方式还是全闭环方式，注意使用检测元件的精度及稳定性。如机床采用半闭环伺服驱动方式，则精度稳定性要受到一些外界因素影响，如传动链中滚珠丝杠受工作温度变化造成丝杠伸长，对工作台实际定位位置造成漂移影响，使加工件的加工精度受到影响。四、数控机床主要特征规格选择数控机床的主要特征规格应根据确定的典型工件族加工尺寸范围而选择。数控机床的最主要规格是几个数控轴的行程范围和主轴电机功率。机床的三个基本直线坐标（X、Y、Z）行程反映该机床允许的加工空间，在车床中两个坐标X、Z反映允许回转体的大小。一般情况下加工件的轮廓尺寸应在机床的加工空间范围之内，如典型工件是450mm450mm450mm的箱体，那么应选取工作台面尺寸为500mm500mm的加工中心，选用工作台面比典型工件稍大一些是考虑到安装夹具所需的空间。机床工作台面尺寸和三个直线坐标行程都有一定比例关系，如上述工作台500mm500mm的机床，X轴行程一般为700800mm,，Y轴为500700mm，Z轴为500600mm。因此，工作台面的大小基本上确定了加工空间的大小。个别情况下也可以有工件尺寸大于坐标行程，这时必须要求零件上的加工区域处在行程范围之内，而且要考虑机床工作台的允许承载能力，以及工件是否与机床换刀空间干涉、与机床防护罩等附件干涉等一系列问题。数控机床的主电机功率在同类规格机床上也可以有各种不同配置，一般情况下反映了该机床的切削刚性和主轴高速性能。轻型机床比标准型机床主轴电机功率就可能小12级。目前一般加工中心主轴转速在40008000r/min，高速型机床立式机床可达2万7万r/min，卧式机床1万2万r/min，其主轴电机功率也成倍加大。主轴电机功率反映了机床的切削效率，从另一个侧面也反映了切削刚性和机床整体刚度。在现代中小型数控机床中，主轴箱的机械变速已较少采用，往往都采用功率较大的或交流可调速电机直联主轴，甚至采用电主轴结构，这样的结构在低速切削中扭矩受到限制，即调速电机在低转速时输出功率下降，为了确保低速输出扭矩，必须采用大功率电机。所以同规格机床数控机床主轴电机比普通机床大几倍。当典型工件上有大量的低速加工时，必须对机床的低速输出扭矩进行校核。2.2 GSK980T车床数控系统的组成部分 GSK980T车床数控系统主要由输入装置、监视器、主控制系统、可编程控制器、各类输人输出接口等组成。主控制系统主要由 CPU 、存储器、控制器等组成。数控系统的主要控制对象是位置、角度、速度等机械量，以及温度、压力、流量等物理量其控制方式又可分为数据运算处理控制和时序逻辑控制两大类。其中主控制器内的擂补模块就是根据所读入的零件程序，通过译码、编译等处理后，进行相应的刀具轨迹插补运算，并通过与各坐标伺服系统的位置、速度反馈信号的比较，从而控制机床各坐标轴的位移。而时序逻辑控制通常由可编程控制器来完成，它根据机床加工过程中各个动作要求进行协调，按各检测信号进行逻辑判别，从而控制机床各个部件有条不紊地按顺序工作。数控系统是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在。2.3 电气控制原理第三章纵向进给伺服进给结构设计第三章纵向进给伺服进给结构设计3.1确定脉冲当量一个脉冲，使机床移动部件产生位移，也被称为数控机床的最小单位。脉冲是一个基本的技术参数，对数控机床的加工精度。脉冲当量的经济型数控车床和铣床使用的是0.010.005mm/脉冲。确定脉冲当量，纵向：0.01mm/脉冲，横向：0.01mm/脉冲。3.2切削力的计算车削外圆时的切削力如图3-1所示。主切削力与切削速度的方向一致，垂直向下，是计算车床主轴电动机切削功率的依据；进给力与进给方向平行且方向相反；背向力与进给方向相垂直，对加工精度的影响较大。FzFxFy图3-1车削力分析选工件材料碳素结构钢，=650MP；选用刀具材料为高速钢；刀具几何参数：主偏角=，前角=，刃倾角=；切削用量为：背吃刀量=2mm，进给量=0.8mm/r，切削速度=1m/min.。由表（2.1）查得：=1770;=1.0=0.75=0;由表（2.2）查得：主偏角修正系数=0.92,前角，刃倾角修正系数都为1.0；代入公式：=2754.92(N)进给力与背吃刀力由经验公式：=1:0.35:0.4知：=2754.92N=0.35x2754.92=964.22N=0.4x2754.92=1101.97N3.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠副作用是旋转运动变为直线运动，在释放量之间的滚珠丝杠和螺母滚道的螺旋传动，线程产生滚动摩擦。螺旋旋转，带动滚珠沿螺纹滚道。螺母设有复位装置，和螺纹滚一个球流通渠道。为了配合无间隙甚至是球和滚道之间形成的，可以设置预紧装置。为了延长使用寿命，可设置的润滑和密封。3.3.1精度的选择滚珠丝杠副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最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。对于车床，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为13级（1级精度最高），Z轴为25级，考虑到本设计的定位精度要求和改造的经济性，选择X轴精度等级为3级，Z轴为4级。3.3.2丝杠导程的确定与运动速度导致的选择，所需的系统等，通常是：4，5，6，8，10，12，20，规模大，影响一般也可以选择较大（主要考虑带齿厚）。在速度上满足的情况下，较小的铅一般的选择（提高控制精度），本设计主要纵向丝杠副行程8mm，横向丝杠导程为5。3.3.3最大工作载荷的计算最大工作载荷是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫进给牵引力,其实验计算公式如表3-1所示。表3-1实验计算公式及参考系数导轨类型实验公式矩形导轨1.10.15燕尾导轨1.40.2综合或三角导轨1.150.15-0.18表中为考虑颠覆力矩影响时的实验系数；为滑动导轨摩擦系数；为移动部件总重量。G=1000N查表3-1选择综合导轨，取1.15,取0.18,为1000；算得=1.151197+0.18（3420+1000）=2171.553.3.4最大动载荷的计算载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力），此类载荷为动载荷。比如起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静载，起重机以加速度吊起重物，重物对吊索的作用为动载。对于滚珠丝杠螺母副的最大动载荷计算公式如下：式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r，（T为使用寿命，普通机床T取5000-10000h，数控机床T取15000h；n为丝杠每分钟转速）；载荷系数，一般取1.21.5，本设计取1.2；硬度系数（HRC58时取1.0；等于55时取1.11；等于52.5时取1.35；等于50时取1.56；等于45时取2.40）；滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。本设计中车床纵向承受最大切削力条件下最快的进给速度,初选丝杠基本导程，则丝杠转速。取滚珠丝杠使用寿命，带入得=90；取，代入，求得：=17390N。3.3.5滚珠丝杠螺母副的选型初选滚珠丝杆副时应使其额定动载荷,当滚珠丝杠副在静态或低速状态下长时间承受工作载荷时，还应使额定静载荷。根据计算出的最大动载荷,选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的FL4008-3型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母螺纹式预紧，精度等级为4级，其参数如表3-2所示。表3-2FL4008-3型滚珠丝杠相关参数公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷/接触刚度/18974084.76338.635.2466313.3.6滚珠丝杠副的支承方式滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合。考虑到纵向丝杠长度较大，本设计纵向丝杠采用双推简支支承方式，该方式临界转速、压杆稳定性高，有热膨胀的余地。3.3.7传动效率的计算滚珠丝杠的传动效率一般在0.80.9之间，其计算公式如下：=式中：螺距升角，根据,可得=291；摩擦角，一般取=10。算得：=96.67%3.3.8刚度的验算轴向变形含丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母间滚道的接触变形、支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形。因转矩和丝杠-螺母滚道接触对丝杠产生的导程变化很小，所以、可以忽略不计，所以丝杠的拉伸或压缩变形量为：=（“+”号代表拉伸，“-”代表压缩）式中：丝杠的最大工作载荷，单位为；丝杠纵向最大有效行程，单位为；丝杠材料的弹性模量，钢；丝杠的横截面面积，单位按丝杠螺纹的底径确定。根据前面的设计，为3234.36，取1665，为45.24，算得：=0.01597=15.97查表3-3可知，,所以刚度足够。表3-3有效行程内的目标行程公差和行程变动量有效行程精度等级12345大于至31566881212161623234005008710915132019272616002000181325183525483665513.3.9稳定性校核由于滚珠丝杠本身比较细长又受轴向力的作用，若轴向负载过大，则会产生失稳现象，不失稳时的临界载荷Fk应该满足：=式中：丝杠支承系数，双推-简支方式时，取2，其他方式如表3-4所示；滚珠丝杠稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取最小值，本设计取4；滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为，本设计中该值为2000；（其中工件加工长度为1400，取2000，留600的两端余量）按丝杠底径确定的截面惯性矩（，单位为）,本设中将代入算出=205513.36。由以上数据可以算出：=临界载荷远大于工作载荷（3234.36N），故丝杠不会失稳。表3-4丝杠支承系数支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值40临界转速的验证共振的最高转速，丝杠的最高转速：式中：丝杠支承系数，双推-简支方式时，取值如表3-5所示；临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为2300；丝杠内径，单位；安全系数，可取=0.8表3-5丝杠支承系数支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值27.418.912.14.3经过计算，得出=1293，由已知，可以算出，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。3.4齿轮传动的计算有关齿轮计算传动比故取；3.5步进电动机的选择（1）工作台质量折算到电机轴上的转动惯量丝杠的转动惯量式中滚珠丝杠的公称直径；丝杠长度。则齿轮的转动惯量电机的转动惯量很小可忽略。因此，总转动惯量（2）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩最大切削负载时所需力矩快速进给时所需力矩式中空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；折算到电机轴上的摩擦力矩；由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；切削时折算到电机轴上的加速度力矩；折算到电机轴上的切削负载力矩。当时当时当时，时当时预加载荷，则所以，快速空载启动所需力矩切削时所需力矩快速进给时所需力矩由上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动时：（3）纵向进给系统步进电机的确定电动机选用三相六拍工作方式，知所以，步进电机最大静转距为步进电机最高工作频率综合考虑，查表选用110BF003型步进电动机，能满足要求7-12。第四章横向进给伺服进给结构设计第四章横向进给伺服进给结构设计4.1切削力的计算因为横向切削力大小一般等于纵向切削力的一半，所以：=13682=684=11972=598.5式中：横向主切削力；走刀方向切削力；吃刀方向切削力。4.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型4.2.1最大工作载荷的计算已知溜板及刀架重力（N），横向为燕尾导轨，查表3-1，最大工作载荷的计算如下：=式中：为考虑颠覆力矩影响时的实验系数，取1.4；为滑动导轨摩擦系数，取0.2。4.2.2最大动载荷的计算式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r；丝杠寿命，取15000；载荷系数，一般取1.2；硬度系数取1；横向丝杠副最大工作载荷，其值为2459.6；横向滚珠丝杠导程，初选为。横向最大工进速度，该设计值为；横向最大工进速度对应丝杠的转度，单位。计算得出得：=12278.8。4.2.3滚珠丝杠螺母副的选型根据计算出的最大动载荷,选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的FL4005-3型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母方式预紧，精度等级为3级，其参数如表4-1所示。表4-1FL2005-3型滚珠丝杠相关参数公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷/接触刚度/14532053.51916.532.8144.2.4滚珠丝杠副的支承方式考虑到横向滚珠丝杠副的长度、精度与负载的大小以及改造成本，采用双推-单推支承方式，该方式轴向刚度高，位移精度好，可以进行预拉伸。4.2.5传动效率的计算=式中：螺距升角，根据,可得=228；摩擦角，一般取=10。算得：=95.67%4.2.6刚度的验算=（“+”号代表拉伸，“-”代表压缩）式中：丝杠的最大工作载荷，单位为；丝杠纵向最大有效行程，单位为；丝杠材料的弹性模量，钢；丝杠的横截面面积，单位按丝杠螺纹的底径确定。根据设计，为2459.6N，为420，为36.5，算得：=0.0047=4.7查表3-3可知，,所以刚度足够。4.2.7稳定性校核=式中：丝杠支承系数，由表3-4得出单推-单推时，取1；滚珠丝杠稳定安全系数，一般取2.54，本设计取4；滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为，本设计中该值为500；按丝杠底径确定的截面惯性矩，（，单位为）本设中将代入算出=87080。由以上数据可以算出：=临界载荷远大于工作载荷（2459.6N），故丝杠不会失稳。4.2.8临界转速的验证式中：丝杠支承系数，单推-单推方式时，由表3-5可得该值为12.1；临界转速计算长度，单位为，本设计中该值约为720；丝杠内径，单位；安全系数，可取=0.8经过计算，得出=5321，由已知，可以算出，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。4.3进给伺服系统传动计算4.3.1确定传动比计算伺服系统的降速比I选步进电机的步距角=0.6横向：4.3.2齿轮参数的计算摸数m取2。计算如下：横向：取小圆齿数为24小齿轮：大齿轮：4.4.步进电机的计算和选用4.4.1转动惯量的计算（1）齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算（）对于钢材：式中：M圆柱体质量（）D圆柱体直径（）L圆柱体长度（）钢材的密度对于齿轮：D可取分度圆直径，L取齿轮宽度；对于丝杠：D可近似取丝杠公称直径滚珠直径，L取丝杠长度。具体计算如下：纵向：横向：（2）丝杠传动时折算到电机轴上的总传动惯量传动系统折算到电机轴上的转动惯量为：式中：具体计算如下：纵向：横向：4.4.2电机力矩的计算1）快速空载起动时所需力矩式中：（2）快速进给时所需力矩因此对运动部件已起动，固不包含，显然。（3）最大切削负载时所需力矩式中：在采用丝杠螺母副传动时，上述各种力矩可用下式计算式中：摩擦力矩式中：附加摩擦力矩式中：折算到电机轴上的切削负载力矩式中：具体计算：横向：4.5步进电机的选择首先根据最大静转距从表中查出，纵向：步进电机起动频率Hz最高工作频率Hz从电机表中查出，110BYG3500型步进电机的空载起动频率为1600Hz，运行频率为30000Hz，满足要求。横向：按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，90BYGH3502型最大静转矩转矩为5N.m，大于所需静转矩，可作为初选型号。第五章主轴交流伺服电机第五章主轴交流伺服电机5.1 拟定传动方案数控机床需要自动换刀、自动变速；且在切削不同直径的阶梯轴，曲线螺旋面和端面时，需要切削直径的变化,主轴必须通过自动变速，以维持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择理想的切削速度，这样有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。无级调速有机械、液压和电气等多种形式，数控机床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。由于数控机床的主运动的调速范围较大（），单靠调速电机无法满足这么大的调速范围，另一方面调速电机的功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。因此，数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动，以满足机床要求的调速范围和转矩特性。为简化主轴箱结构，本方案仅采用二级机械变速机构，运动方案如图5.1：有级变速的自动变换方法一般有液压和电磁离合器两种。液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拨叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮则必须使用两个液压缸（差动油缸）实现三位移动。液压拨叉变速是一种有效的方法，工作平稳，易实现自动化。但变速时必须主轴停车后才能进行，另外，它增加了数控机床的复杂性，而且必须将数控装置送来的电信号转换成电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应的液压缸，因而增加了变速的中间环节，带来了更多的不可靠因素。图5.1 主轴传动图电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操作元件。电磁离合器用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，操作方便。通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。电磁离合器一般分为摩擦片式和牙嵌式6。5.2 主轴的变速范围主运动调速范围的确定（本小节公式除非特别说明，均出自资料12）数控车床主轴转速范围252500r/min则数控车床总变速范围估算主轴的计算转速，由于采用的是无级调速，所以采用以下的公式： (2.3)因为数控机床主轴的变速范围大于计算转速的实际值同时为了便于计算故取：主轴的恒功率变速范围电机的恒功率变速范围由于RnpRdp，电动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串联一个有级变速箱，以满足主轴的恒功率调速范围。取，则对于数控车床，为了加工端面时满足恒线速度切削的要求，应使转速有一些重复，故取Z=25.3初选主轴电机的型号选主轴电机的型号为：SIMODRIVE系列交流主轴驱动系统型号为1HP6167-4CB4，连续负载PH/KW=14.5，间歇负载（60%）/kw=17.5kw,短时负载（20min）/kw=19.25kw,额定负载n/r.min=5000，最大转速nmax/r/min=8000,额定转矩277N.m,惯性矩0.206/kg.m晶体管PWM变频器型号为6SC6058-4AA025.4主轴电机的校核电动机恒功率调速范围：所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范围。第六章元件的选择第六章元件的选择6.1主轴系统的方案确定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24速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（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于，原来的电动机可以不更换，但所选变频器的功率应比电动机大）。6.2安装电动卡盘为了提高加工效率，夹紧和松开工件使用电动卡盘，呼和浩特配件厂生产型kd11250电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与放松的数控系统。6.3 SZGDBM01光电编码器6.3.1 概述SZGDBM01光电编码器，是常用的位移、角位移、长度、深度等机械量的检测器件，广泛用于化工、冶金、能源、轻工、纺织、电子、机械、汽车等行业。6.3.2 主要技术性能SZGDBM01的分类方法6.4数控刀架/AK21系列刀架AK21160*4*4C安装图及尺寸：型号ABCL1L2H1HXX1yh12MH3H4NAK2116041261261464412252197016017011230.5132082/44AK211604C1171261463882732177016017011432132060/32主要参数：序号项目AK2116044C 1刀台方(mm)1602工位数(个)43装刀基面高(mm)704装刀基准孔高(mm)/5单工位转位时间(s)3.246刀架转速(r/min)177最大切向力矩(N .m)5008最大颠覆力矩(N .m)12509重复定位精度(mm)0.00510毛重(Kg)3811净重(Kg)3012箱体尺寸(mm)560400353结论本课题结合目前国内外数控改造化车床进给系统的研究现状和发展方向，具体阐述了一种桌面型数控改造化车床的设计开发过程。本文主要以上工作：1、确定了数控改造化车床结构方案。分析了数控改造化车床的特点，确定了数控改造化车床基本结构，并确定其基本尺寸。2、确定了数控改造化车床技术指标及参数。对该数控改造化车床的各向切削力进行了计算。3、选择了数控改造化车床系统的控制系统。采用了东达电控的电控箱。4、数控改造化车床本体结构设计。5、零件的刚度和寿命计算与校核。对各个已设计零件进行刚度和寿命计算，确保满足使用要求，使该数控改造化车床有足够的可靠性。本次毕业设计了解了普通车床的加工特点及原理，对普通车床进行了数字化改造，主要是将纵向和横向进给系统改造成为CNC装置控制的、能独立运动的进给伺服系统；将刀架改成为能自动换到的回转刀架。转眼间3个月的时间过去了，毕业设计也接近了尾声。这次毕业设计是我们大学四年来进行的最综合、最大型、最全面的、用时最长的一次设计。是对大学所学的一次大总结，它汇聚了已学科目的所有知识点，几乎把大学四年所学的知识都囊括在里面了，使所学知识得到巩固与提高。我们通过不同的途径查阅相关的资料，如：图书馆的馆藏资料、网上图书馆以及查阅我们四年来所学的书本知识等；丰富了自己的知识面，提高了解决问题的能力和自学能力。在设计中我们遇到了很多的困难，通过请教指导老师自己查阅资料，与同学讨论，最终都得到了解决。包括选择毛坯的类型和制造方法、粗精基准的选择、加工顺序的安排，机床及的工艺装备的选择、工艺的分析计算、专用夹具的设计、填写工艺卡片等。设计中遇到很多细节问题，如机床的选择原则，要根据加工零件的材料、尺寸，机床的加工范围来确定；刀具的选择，它是有零件的材料，加工表面的形状来确定的；装配图上尺寸、配合的标注；工序图绘制原则，加工表面要用粗实线表示，非加工表面用细实线等。这些都是以前设计中没太注意的问题，感谢导师的指出和耐心指导。通过此次设计，不但使我在设计中得到了很大的收获，丰富了自己的理论知识，提高了实践的能力，为今后在工作岗位中从事设计行业打下了坚实的基础，更让我深刻感觉到相互协作的团体精神和导师指导的重要性。由于我的时间经验比较缺乏，理论知识不够全面和深入，设计中肯定还存在不少的缺点和问题，希望能够得到老师的批评和指正，它将影响我的一生。30参考文献参考文献1陈婵娟.数控改造化车床设计M.化学工业出版社，2006：1-160.2杜君文，邓广敏.数控技术M.天津：天津大学出版社，2002：37-56.3谢红.机床数控化改造机器人机械系统设计指导M.上海：同济大学出版社，2004.8：50-84.4蔡自兴.机器人学M.北京：清华大学出版社，2000：20-25.5李佳.机床数控化改造机应用M.北京：清华大学出版社，2001：70-88.6张立勋.机电一体化系统设计M.高等教育出版社，2007：40-51.7濮良贵.机械设计（第七版）M.北京：高等教育出版社，2004：34-46.8徐灏主.新编机械设计师手册M.北京：机械工业出版社，1995

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