普通机床的数控化改造毕业设计

普通机床的数控化改造 摘 要：普通机床的数控改造主要是在合理选择数控系统的前提下，然后再对普通车床进行适当的机械改造，改造的内容主要包括：床身的改造，拖板的改造，变速箱体的改造，刀架的改造。通过对机床的改造并根据要求选用步进电机作为驱动元件，这样改造后的机床就能基本满足现代化的加工要求。关键词：普通车床； 数控改造； 步进电机； 数控刀架Numerical Control Transformation of Common LathesStudent: HU Jin Tutor: DONG Liang(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract：The numerical control machine tools transform ordinary primarily in reasonable choice under the premise of CNC system, and then to ordinary lathe proper mechanical transformation. Transformation content mainly includes: lathe bed transformation, dragging plate transformation, shifting box transformation, cutter transformation. Then according to requirements, we can choose a stepper motor as drive component. So after the transformation of machine tools can satisfy basically modern processing requirements.Keyword: ordinary lathe; nc transformation; step-motor; nc cutter 1 前言数控机床改造，实质上是机械工程技术与微电子技术的结合，经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。这一工作早在20世纪60年代已经在开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务。目前，国外已发展成为一个新兴产业部门，从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有26%的机床经过数控化改造，中小企业则达74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供数控化改造业务。中国是拥有300多万台机床的国家，其中大部分是多年积累生产的普通机床，自动化程度低。要想在近几年用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金还是中国机床制造厂的能力都是办不到的，因此，普通机床的数控化改造大有可为，它适合中国的经济水平、生产水平和教育水平，已成为中国设备技术改造的主要方向之一。机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。因此，我们必须走数控改造之路。本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造，以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀，使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短，传动件数减少，从而提高机床的精度。随着科学技术的发展，现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高，随着社会对产品要求的增强，产品品种增多，产品更新换代加速。数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。同时，数控机床将向更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。2 设计要求2.1 总体方案设计要求（1）系统的运动方式以及与伺服系统的选择由于改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（2）计算机系统根据机床要求，采用8位微机。由于MCS51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS51系统的最小系统用一片80C51外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用MCS51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用LCD液晶显示器现实加工数据及机床状态等信息。（3）为了实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副，同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构，传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。卧式车床简图如下图1所示图1 卧式车床简图Fig.1 Horizontal lathes diagram总体方案设计图如下图2所示：图2 数控机床改造的整体方案示意图Fig.2 The overall scheme of nc machine tools diagram进给伺服系统总体方案方框图如图2所示：图3 数控机床伺服系统总体方案方框图Fig.3 Nc machine tool servo system which overall scheme2.2 其它要求（1）原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本缩短改造周期。（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。3 进给伺服系统机械部分设计与计算3.1 进给系统机械结构改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有进给箱、溜板箱、溜板、刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。3.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。计算简图如图4所示：图4 进给系统计算简图Fig.4 Feeding system calculation diagram3.2.1 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技术参数中，要求纵向脉冲当量fp为0.01mm/step。横向脉冲当量为fp=0.005mm/step。3.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤（1）最大工作荷载计算滚珠丝杠的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于原普通CA6140车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式（1）计算工作载荷的大小。 Fm=KFL+f(Fv+G) （1） 1）车削抗力分析车削外圆时的切削抗力有FxFyFz，主切削力Fz与主切削速度方向一致垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力Fy与纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力Fx与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。纵切外圆时，车床的主切削力Fz可以用下式计算： Fz=CFzPXFzfyFzVnFz KFz （2） =5360(N) 由金属切削原理知：Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 （3） 得 Fx=1340(N) Fy=2144(N)因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给托板的载荷F1Fv和Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系。因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出： 托板上的进给方向载荷 F1=Fx=1340(N) 托板上的垂直方向载荷 Fv=Fz=5360(N) 托板上的横向载荷 Fc=Fy=2144(N) 因此，最大工作载荷 Fm=KFL+f(Fv+G) =1.151340+0.04(5360+909.8) =1790.68(N) 对于三角形导轨K=1.15, f=0.030.05,选f=0.04(因为是贴塑导轨)，G是纵向横向溜板箱和刀架的重量，选纵向横向溜板箱的重量为75kg,刀架重量为15kg.（2）最大动载荷C的计算滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选用，可用式（4）计算： C=3LfmFm （4） L为工作寿命，单位为10r，L=60nt10;n为丝杠转速（rmin）,n=1000vL0;v为 最大切削力条件下的进给速度（mmin）,可取最高进给速度的1/21/3;L0为丝杠的基本导程，查资料得L0=12mm;fm为运转状态系数，因为此时有冲击振动，所以取fm=1.5.V纵向=1.59mm/r1400r/min=2226mm/minn纵向=v纵向1/2/L0=22261/2/12=92.75r/min L=60nt/106=6092.7515000/106=83.5则 C=3LfmFm =383.51.51790.68=11740（N） 初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大载荷C;因此有CaC=11740N另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷Fm,一般使Coa/Fm=23.初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。因此初选滚珠丝杠的型号为型CD638-3.5-E型，主要参数为Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,=2o19 ，圈数列数3.51 （3）纵向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 =tg/tg(+)=tg2o19 /tg(2o19 +10)=92% （5）2）刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。1 丝杠的拉压变形量1 1=Fml/EA （6） =1790.682280/20.610(31.5)2 =0.0064mm2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2采用有预紧的方式，因此用公式 2=0.0013 （7） =0.0013 =0.0028mm在这里 Fyj =1/3Fm=1/31790.68=597N Z=dm/Dw=3.1463/4.763=41.53 Z=41.533.51=145.36 丝杠的总变形量=1+2=0.0064+0.0028=0.0092mm4所以丝杠很稳定。3.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤（1）型号选择 1）最大工作载荷计算由于导向为贴塑导轨，则：k=1.4 f=0.05,F1为工作台进给方向载荷，Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h,最大工作载荷：Fm=kF1+f(Fv+2Fc+G) =1.42144+0.05(5360+21340+9.875) =3440.4N2）最大动载荷的计算 V横=1400r/min0.79mm/r=1106mm/min n横丝=v横1/2/L0纵=11061/2/4=138.25r/min L=60nt/=60138.2515000/106=124.43 C=3LfmFm =3124.431.53440.4=25763.7N 初选滚珠丝杠型号为：CD506-3.5-E其基本参数为Dw=3.969mm,=2o11,L0=6mm,dm=50mm,圈数列数3.51 (2) 横向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算 =tg/tg(+)=tg2o11 /tg(2o11 +10)=93%2) 刚度验算 1. 丝杠的拉压变形量1=FmL/EA=3440.4320/20.6104252=0.0027mm2.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.0013 =0.00132 =0.0070mm在这里Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N Z=dm/Dw=3.1450/3.969=39.56 Z=39.563.51=138.48丝杠的总变形量 =1+2=0.0027+0.0070=0.0097mm0.015mm查表知E级精度允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格（3）滚珠丝杠螺母副的精度等级：数控机床根据定位精度的要求通常选用1-5级精度的滚珠丝杠，1-5级度丝杠的行程公差数值如表2所示：表2 滚珠丝杠行程公差/mTable 2 The ball screw trip tolerances项目 符号 有效行程 精度等级 lm/mm 1 2 3 4 5 315 6 8 12 16 23目标形成公差 ep 315400 7 9 13 18 25 400500 8 10 15 20 27 500630 9 11 16 22 30 315 6 8 12 16 23行程变动量公差 vmp 315400 6 8 12 17 25 400500 7 10 13 19 26 500630 7 11 14 21 29任意300mm内 v300p 6 8 12 16 23行程变动量2rad内行程 v2p 4 5 6 7 8变动量3.2.4 齿轮有关计算(1)纵向齿轮及转矩的有关计算1）有关齿轮计算，由前面的条件可知： 工作台重量：W=80kgf=800N(根据图纸粗略计算)滚珠丝杠的导程: Lo=12mm步距角: =0.75/step脉冲当量: p=0.01mm/step快速进给速度：Vmax=2m/min所以,变速箱内齿轮的传动比i=2.5 （9） 齿轮的有关参数选取如下: Z1=32 , Z2=40 ,模数m=2mm 齿宽 b=20mm 压力角=20齿轮的直径 d1=mz1=232=64mm d2=mz1=240=80mm d2=d1+2ha*=68mmd2=d2+2ha*=84mm两齿轮的中心矩 a= = =72mm2）转动惯量计算工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量: J1=W()2= ( )2 800.01=0.467kg.cm2 （10）对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算: J=7.810-4D4L kg.cm2 （11） 式中 D-圆柱形零件的直径,cm L-零件的轴向长度,cm所以,丝杠的转动惯量: J1=7.810-4+D4L1=7.810-43.24140.3=11.475 kg.cm2齿轮的转动惯量: JZ1=7.810-46.442=2.617 kg.cm2 JZ1 =7.810-4842=6.39 kg.cm2电动机转动惯量很小,可忽略。因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.52)（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm23）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo最大切削负载时所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt快速进给时所需力矩M=Mf+Mo式中, Mamax-空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩; Ma-折算到电动机轴上的加速度力矩; Mf-折算到电动机轴上的摩擦力矩; Mo-由丝杠预紧所引起,折算到电动机轴上的附加摩擦力矩; Mat-切削时折算到电动机轴上的加速力矩; Mt-折算到电动机轴上的切削负载力矩;Ma=10-4N.m （12）式中, J-转动惯量, kg.cm2 n-丝杠转速,r/min T-时间常数,s当n=nmax时 Ma=Mamax nmax=416.7 r/min Mamax= 10-4=2.49N.m当n=nt时, Ma=Matnt=24.88 r/minMat= 10-4=0.0616N.mMf= N.cm （13）式中 f-导轨上的摩擦系数 nt-切削加工时的转速，r/min; w-移动不见的重量，N; Lo-丝杠导程，cm; i-传动比； - 传动效率。当 =0.8 f=0.16时， Mf=12.23N.cmMo= (1-o2) （14）式中， o-丝杠未预紧时的效率，取0.9 FO-预加载荷，一般为最大轴向载荷的1 / 3，即FP / 3则 Mo=(1-0.92)=8.108 N.cm Mt=128 N.cm所以，快速空载启动所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338 N.cm切削时所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42 N.cm快速进给时所需力矩 M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338 N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩Mamax发生在切屑时 Mmax=151.42 N.cm (2)横向齿轮及转矩的有关计算1)有关齿轮计算，由前面的条件可知： 工作台重量：W=30kgf=300N(根据图纸粗略计算)滚珠丝杠的导程: Lo=4mm步距角: =0.75/step脉冲当量: p=0.005mm/step快速进给速度：Vmax=1m/min所以,变速箱内齿轮的传动比i=1.67齿轮的有关参数选取如下: Z1=18 , Z2=30 ,模数m=2mm 齿宽 b=20mm 压力角=20d1=36mm d2=60mm da1 =40mm da2=64mm a=48mm2)转动惯量计算工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量: J1=W()2= ( )2 300.01=0.0439 kg.cm2丝杠的转动惯量: Js=7.810-42450=0.624 kg.cm2齿轮的转动惯量: JZ1=7.810-43.642=0.262 kg.cm2 JZ1 =7.810-4642=2.022 kg.cm2电动机转动惯量很小,可忽略。因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量J=(1/i2) （JS+Jz2）+Jz1+J1=0.36（0.624+2.022）+0.262+0.0439=1.258 kg.cm2=12.58 N. cm23)所需转动力矩计算nmax=416.7 r/min Mamax= 10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cmnt=33.17 r/minMat= 10-4=0.0174N.m=0.174 kgf.cmMf= = =0.287kgf.cm=0.028N.mMo=(1-0.92) =0.649kgf.cm =0.065N.mMt=10.242kgf.cm =1.024 N.m所以，快速空载启动所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm切削时所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52 N.cm快速进给时所需力矩M=Mf+Mo=0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩Mamax发生在切削时 Mmax=113.52 N.cm4、步进电动机的计算与选择4.1步进电动机选用的基本原则合理选用步进电动机是比较复杂的问题，需要根据电动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：4.1.1步距角 步距角应满足 （1）式中， i-传动比 min-系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角4.1.2精度 步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积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，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足： mi s （2）式中， m -步进电动机的累积误差。 s-系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。 4.1.3转矩为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件a. 起动力矩。一般选取为 MqMLo/0.3-0.5 （3）式中，Mq-电动机起动力矩 MLo-电动机静负载力矩根据步进电动机的相数和拍数，启动力矩选取如表3所示，表中MJM为步进电动机的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。表3 步进电动机相数、拍数启动力矩表Table 3 Stepper motor phase number, beats watch start torque运行方式 相数 3 3 4 4 5 5 6 6 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12Mg/Mjm 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 在要求的运行频率范围内，电动机运行运行力矩应大于电动机的静载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。4.1.4 启动频率由于步进电动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： ftfopm ( 4 )式中，ft-极限启动频率， fopm-要求步进电动机最高启动频率4.2 步进电动机的选择4.2.1 CA6140纵向进给系统步进电机的确定 Mq=378.55 N.cm为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： Mq/Mjm=0.866所以步进电动机最大静转矩Mjm为： Mjm=437.12 N.cm步进电动机最高工作频率： fmax=3333.3 HZ综合考虑，查步进电机技术数据表选用90BF002型直流电动机，能满足使用要求。4.2.2 CA6140横向进给系统步进电机的确定 Mq=283.8 N.cm电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知： Mq/Mjm=0.866所以步进电动机最大静转矩Mjm为： Mjm=327.71 N.cm步进电动机最高工作频率： fmax=3333.3 HZ为了便于设计和采购，仍选用90BF002型直流电动机，能满足使用要求。5 车床改造的结构特点5.1 滚珠丝杆滚珠丝杆必须采用三点支承形式。步进电动机的布置可放在丝杠的任一端，由于拆除了进给箱，可在原安装进给箱处布置步进电动机和减速齿轮，也可在滚珠丝杆的左端设计一个专用轴承支承座，而在丝杠托架处布置步进电动机和减速箱。5.2 导轨副为减少运动部件移动时的摩擦阻力，尤其是减少静摩擦阻力，滑板和刀架移动部件的导轨可粘贴摩擦系数低的聚四氟乙烯软带5.3 脉冲发生器改造后的简易数控车床需要自动化加工螺纹时，可以在主轴后端同轴安装或者异轴安装一个主轴脉冲发生器，作为主轴位置的信号反馈元件，目的是用来检测主轴转角的位置，并且将其变化情况输送给数控装置，使其能按照所加工螺纹的螺距值进行处理。6 安装调整中应注意的问题6.1 滚珠丝杠螺母副的选择：滚珠丝杠螺母副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂。都是由专业工厂按系列化进行生产。因此在进行设备改造时，要按厂家生产标准进行选择。选择合适以后再决定被改造设备的 其他相关部分的结构和尺寸。6.2 滚珠丝杠螺母副的调整：利用螺母的 间隙调整装置调整丝杠副间隙时，应使调整后产生的 预紧力为丝杠副最大负载的1 / 3为宜。在 实际调整中，可以把车床处于最大工作负载，使丝杠内部仍不产生间隙或者间隙量小于0.01mm，而且运转灵活，并以此作为螺母间隙调整装置预紧的判断标准。6.3 联轴器的安装：传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔座按十字分布方式进行配做。这是因为同一联轴套上分布的锥孔都由同一方向加工时，往往会引起轴线的直线度误差增大，从而使安装在丝杠上各零件间的同轴度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠副的传动性能。6.4 主轴脉冲发生器的安装：主轴脉冲发生器的的引出轴按比例1：1无间隙柔性连接传动，连接后应保证两者都有很好的同步性，安装中要注意主轴脉冲发生器是玻璃件，不能随意敲打碰撞，使用中车床主轴转速