普通车床的数控化改造

太原工业学院毕业设计 毕毕 业业 设设 计计 题目 普通机床的数控改造 机械部分的设计 系 别 机械工程系 专 业 机械设计及自动化 姓 名 段国雄 学 号 087013109 指导教师 田静 2011 年 6 月 7 日 太原工业学院毕业设计 诚信声明诚信声明 本人声明 我所呈交的专科毕业设计论文是本人在指导老师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和参考文献中所罗列的内容以外 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 本人签名 日期 2011 年 6 月 7 日 太原工业学院毕业设计 普通机床的数控改造 机械部分的设计 摘要 C616 普通车床数控化改造 利用微机对纵向 横向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 0 005 脉冲 驱动元件采用步进 电动机 传动系统采用滚珠丝杠副 刀架采用四工位电动自动转位刀架 它主要用 于对中小型轴类 盘类以及螺纹零件的加工 这些零件加工工艺要求机床应完成的 工作内容有 控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速 刀架能实现纵向 和横向的进给运动 并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具 冷却泵 润 滑泵的启停 加工螺纹时 应保证主轴转一转 刀架移动一个被加工螺纹的螺距或 导程 这些工作内容 就是数控化改造数控系统控制的对象 关键字 数控改造 进给系统 滚珠丝杠 Abstract C616 General of NC lathe the use of computer on the vertical and horizontal feed system for open loop control the vertical pulse equivalent to 0 01mm pulse the horizontal equivalent of 0 005 pulse pulse with stepper motor drive components drive system with ball screws bar pair a four position turret electric automatic indexing turret It is mainly used for small and medium sized shaft disk type and screw machining machine tool processing requirements of these parts work to be completed includes Reversible Control of the spindle and the cutting speed to achieve their different spindle speed knife to achieve Vertical and horizontal feed motion and automatic tool change with changes in the four cutter to complete the selection tool cooling pumps lubrication pump start and stop processing thread should ensure a turn the spindle tool holder to be processed to move a thread pitch or lead The content of this work is the transformation of NC CNC system objects Key Key CNC transformation Feeding system Ball screw 太原工业学院毕业设计 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 设计 论文 题目 普通机床的数控改造 机械部分的设计 系部 机械工程系 专业 机械制造及自动化 学号 087013109 学生 段国雄 指导教师 含职称 田静 讲师 专业负责人 李雅青 1 设计 论文 的主要任务及目标 1 对 C616 机床的改造后能使其实现数控控制 让数控机床可以完成普通机床 难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工 提升机床的加工精度 柔性 生产率 实现计算机操控 排除人为误差 使零件的加工一致性好 质量稳定可靠 提高机 床自动化程度 降低操作人员劳动强度 2 通过对 C616 普通车床进行过改造能够正确运用机床数控系统等课程的基本 理论各有关知识 学会设备数控化改造方案的拟定 比较 分析机进行必要的计算 3 改造的机床具有广泛的适用性和灵活性 缩短新产品的试制和生产周期 易 于组织多种品种生产 使企业能对市场需求做出快速响应 2 设计 论文 的基本要求和内容 1 掌握普通机床 C616 的工作原理 2 了解其改造的设计方案 3 确定机械改造方案 4 收集相关资料及图纸 纵向进给系统结构装配图 5 完成相应的工程图 6 论文设计说明书 7 其他 校 系规定内容 太原工业学院毕业设计 3 主要参考文献 1 经济型数控系统设计 张新义主编 机械工业出版社 2 数控车床设计 陈婵娟主编 化学工业出版社 3 机床数控改造设计与实例 余英良 机械工业出版社 4 机电综合设计指导 吴振彪 中国人民大学出版社 5 数控机床及其应用 李善术 机械工业出版社 6 机械制造装备设计 冯辛安 机械工业出版社 7 机械制造技术基础 第二版 张福润 徐鸿本 刘延林 华中科技大学出版 社 8 数控技术课程设计 范超毅 赵天婵 吴斌方 华中科技大学出版社 9 机电综合设计指导 第一版 吴振彪 中国人民大学出版社 10 简明机械设计手册 第二版 唐金松 上海科技大学出版社 4 进度安排 设计 论文 各阶段名称起 止 日 期 1根据论文题目查看相关资料2011 年 4 月 30 日前 2了解 C616 机床的结构及工作原理2011 年 5 月 1 日到 5 月 10 日 3设计改造及其设计图2011 年 5 月 11 日到 5 月 18 日 4完成论文2011 年 5 月 18 日到 5 月 31 日 5校订论文 论文装订2011 年 6 月 1 日到 6 月 太原工业学院毕业设计 目录 1 前 言 1 1 1 问题的提出 1 1 2 改造的意义 1 1 2 1 节省资金 1 1 2 2 性能稳定可靠 1 1 2 3 提高生产效率 1 1 3 数控机床发展概况 2 1 3 1 机床数控系统的分类 2 1 32 国内数控机床的特点 4 2 机械部分的改造 5 2 1 改造方案的确定 5 2 2 机械部分改造的设计 6 2 2 1 纵向进给机构的改造 6 2 2 2 纵向进给系统的设计计算 9 2 2 3 横向进给机构的改造 14 2 2 4 进给系统的设计计算 14 3 总 结 21 4 参考文献 22 5 致谢词 23 太原工业学院毕业设计 1 1 1 前 前 言言 1 1 问题的提出 数控机床作为机电一体化的典型产品 在机械制造业中发挥着巨大的作用 很好地解决了现代机械制造中结构复杂 精密 批量小 多变零件的加工问题 且能稳定产品的加工质量 大幅度地提高生产效率 但从目前企业面临的情况 看 因数控机床价格较贵 一次性投资较大使企业心有余而力不足 因此对普 通机床的数控改造就显得相当必要了 1 2 改造的意义 1 2 1 节省资金 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省 60 左右的费用 大型及特殊设备 尤为明显 一般大型机床改造只需花新机床购置费的 1 3 即使将原机床的结构进行 彻底改造升级也只需花费购买新机床 60 的费用 并可以利用现有地基 1 2 2 性能稳定可靠 因原机床各基础件经过长期时效 几乎不会产生应力变形而影响精度 1 2 3 提高生产效率 机床经改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3 至 5 倍 对复 杂零件而言难度越高功效提高得越多 且可以不用或少用工装 不仅节约了费用而 且可以缩短生产准备周期 太原工业学院毕业设计 2 1 3 数控机床发展概况 1 3 1 机床数控系统的分类 机床数控系统的种类很多 为了便于了解和研究 可以从不同的角度对其分类 可以按伺服系统的控制方式 机床的运动轨迹 数控系统功能水平分类 一般地 按伺服系统的控制方式进行分类 伺服系统包括驱动机构和机床移动部件 它是数控系统的执行部分 按其控制 原理可分为以下三类 1 开环控制系统 Open Loop Control System 典型的开环伺服系统如图 1 2 所示 是采用步进电机的伺服系统 对于数控装 置发来的每一个进给脉冲经驱动线路放大并驱动步进电机转动一个步距 即一个固 定的角度 如 1 5 再经减速齿轮带动丝杠旋转 并通过丝杠螺母副传东工作台 的移动 可以看出工作台的移动量与进给脉冲的数量成正比 显然这种开环系统的 精度完全依赖于步进电机的步距精度及齿轮 丝杠的传动精度 它没有测量反馈矫 正措施 所以对高精度的数控机床往往不能满足要求 但开环系统的结构简单 调 试容易 造价低 在数控机床的发展过程中占有一定的重要地位 现在仍普遍采用 数控装置放大步进电机减速齿轮丝杠螺母工作台 图 1 2 开环伺服系统方框图 2 半闭环控制系统 Semi closed Loop Control System 如图 1 3 所示 采用装在丝杠上的角位测量丝杠或电机轴的转动量间接地测 量工作台的移动量 它的优点就是不论工作台位移的长短 角位移测量元件制成 可循环使用 360 太原工业学院毕业设计 3 数控 装置 伺服 电机 放 大 减速 齿轮 工 作 台 比较 装置 测量 装置 测量 装置 丝杠 螺母 图 1 3 半闭环伺服系统方框图 半闭环的意思就是用丝杠 或电机轴 的转动量与数控装置的命令相比较 闭 环 而另一部分丝杠螺母工作台的位移量不受闭环控制 开环 故称为半闭环 显然 从理论上讲 半闭环的精度低于闭环 但半闭环调试方便 稳定性好 角位 移的测量元件简单 价廉 所以配备传动精度较高的齿轮 丝杠的半闭环系统得到 广泛应用 3 闭环控制系统 Closed Control System 如图 1 4 所示 采用直线位移测量元件 测量机床移动部件工作台 主轴箱 的位置并将测量结果送回与数控装置命令的移动量相比较 二者不相等而有差值时 将此差值放大外控制伺服电机带工作太继续移动 直至测量值与命令值相等差值为 零或接近于零时停止移动 从理论上讲 闭环伺服系统的精度取决于测量工作台的 精度 但实际上机床的结构 传动装置以及传动间隙等非线形因素都会影响精度 严重的还会使闭环伺服系统的品质下降甚至引起振荡 太原工业学院毕业设计 4 数控 装置 比较 装置 放大 丝杠 螺母 减速 齿轮 伺服 电机 测量装置 工作台 图 1 4 闭环伺服系统方框图 1 32 国内数控机床的特点 1 新产品开发有了很大突破 技术含量高的产品占据主导地位 2 数控机床产量大幅度增长 数控化率显著提高 2001 年国内数控金切机床产量已达 1 8 万台 比上年增长 28 5 金切机床产 值数控化率从 2000 年的 17 4 提高到 2001 年的 22 7 3 数控机床发展的关键配套产品有了突破 今年来通过政府的支持 数控机床配套生产得到了快速发展 如北京航天机床 数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台 烟台第 二机床附件厂开发了为数控龙门镗铣床 数控落地镗铣床及数控锻压设备等 30 多个 系列 100 多个品种的数控配套产品 太原工业学院毕业设计 5 2 机械部分的改造 2 1 改造方案的确定 C616 普通车床数控化改造 利用微机对纵向 横向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 0 005 脉冲 驱动元件采用步进 电动机 传动系统采用滚珠丝杠副 刀架采用四工位电动自动转位刀架 C616 车床主要用于对中小型轴类 盘类以及螺纹零件的加工 这些零件加 工工艺要求机床应完成的工作内容有 控制主轴正反转和实现其不同切削速度的 主轴变速 刀架能实现纵向和横向的进给运动 并具备在换刀点自动改变四个刀 位完成选择刀具 冷却泵 润滑泵的启停 加工螺纹时 应保证主轴转一转 刀 架移动一个被加工螺纹的螺距或导程 这些工作内容 就是数控化改造数控系统 控制的对象 由于是经济型数控改造 所以在考虑具体方案时 基本原则在满足 使用要求的前提下 对机床的改动尽可能少 以降低成本 总体改造如图 1 所示 太原工业学院毕业设计 6 C616 车床总体改造图 2 2 机械部分改造的设计 2 2 1 纵向进给机构的改造 1 纵向进给运动是由伺服电动机通过安全离合器直接驱动有预加载荷的滚珠 丝杠 将旋转运动变为十字溜板的纵向 Z 向 运动 太原工业学院毕业设计 7 纵向的改造 拆除原机床的进给箱 利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱 体 滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置 两端采用原固定方式 这样可减小改装现场 并由 于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠 从而使纵向进给整体刚性略优于以前 2 纵向进给系统的设计 经济型数控车床的改造 一般是步进电动机经减速后 驱动丝杠 螺母固定在溜板箱上 带动刀架左右移动 步进电动机的布局可放 置在丝杠的一端 对车床改造来说 外观不必像产品设计要求那麽高 而从改造方 便实用方便来考虑 一般都把步进电动机方在纵向滚珠丝杠的右端如下图 太原工业学院毕业设计 8 1 2 纵向结构图 1 滚珠丝杠副 2 步进电动机 太原工业学院毕业设计 9 2 2 2 纵向进给系统的设计计算 已知条件是 工作台重力 W 800N 时间常数 T 25ms 滚珠丝杠基本导程 L 6mm 脉冲当量 0 01mm step 步距角 0 75 step 快速进给速度 V 2m min 1 切削力的计算 由 机床设计手册 可知切削功率 Nc N K 式中 N 电动机功率 查机床说明书 N 4Kw 主传动总效率 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 4X0 65X0 96 KW 又因为 Nc Fzv 6120 Fz 6120Nc V 式中 V 切削线速度 取 V 100m min 主切削力为 Fz 6120X2 496 100 kgf 152 76kgf 1527 6N 由 金属切削原理 可知 主切削力 Fz CFz pfyFzKpz 查表得 CFz 188kgf mm2 1880MPa XFz 1 yFz 0 75 Kpz 1 则可计算 Fz 1520N 时 切削深度 ap 2mm 进给 f 0 3mm 以此参数作为下面 计算的依据 从 机床设计手册 中可知 在一般外圆的车削时 太原工业学院毕业设计 10 ap mm222333 f mm0 20 30 40 20 30 4 Fz mm112515241891168722872837 Fx 0 1 0 6 Fz Fz 0 15 0 7 Fz 取 Fx 0 5Fz 0 5X1527 6 N 763 8N Fy 0 6Fz 0 6X1527 6 N 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 P 1 15X763 8 0 16X 1527 6 800 1250 8N 强度计算 寿命值 L1 60n1Ti 106 n1 n 主 f L0 1000vf 3 14DL0 取工件直径 D 80mm 查表得 T1 15000h 则 n1 1000X100X0 3 3 14X80X6 20r min Li 60X20X15000 106 18 最大动负载 Q L1 3PfwfH 查表得运转系数 fw 1 2 硬度系数 fH 1 则 Q 181 3X1 2X1X1250 8 3933 6N 根据最大动负荷 Q的值 可选择滚珠丝杠的型号 例如 滚珠 丝杠可以参照南京工艺装备厂的产品样本选取用于数控改造滚珠丝杠副 FFZL3206LH 3 其额定动载荷是 10689N 所以强度足够用 效率计算 根据 机械原理 的公式 丝杠螺母的传动效率 为 tan tan 式中 摩擦角 10 螺旋升角 3 25 太原工业学院毕业设计 11 tan3 25 tan 3 25 10 0 953 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P引起的导程的变化量 L1 PL0 EF 式中 L0 6mm 0 6cm E 20 6X166N cm2 滚珠丝杠截面积 F 3 14X d 2 2 8031 2X3 14mm2 则 L1 PL0 EF 1250 8X0 6 20 6X106X 2 8031 2 2X3 14 5 9X10 6cm 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L2很小 可忽略 即 L1 所以导 程变形总误差厶为 LX100 L0 100 0 6X5 9X10 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 稳定性验算 由于机床原丝杠直径声 30mm 现选用的滚珠丝杠 直径为声 32mm 支承方式不变 所以稳定性不存在问题 3 齿轮及转矩的有关计算 有关齿轮计算 传动比为 i L0 360 p 0 75X6 360X0 01 1 25 故取 Z1 32 Z2 40 m 2mm b 20mm 20 d1 mz 2X32mm 64mm 太原工业学院毕业设计 12 d2 mz2 2X40mm 80mm da1 d1 2ha 68 mm da2 d2 2ha 84 mm a d1 d2 2 64 80 2 72 mm 转动惯量计算 工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量 J1 180p 3 14 2W 180X0 01 3 14X0 75 2X80 0 468kg cm2 丝杠的转动惯量 JS 7 8X10 4D4 L1 7 8X10 4X3 24X140 3 11 475 kg cm2 齿轮的转动惯量 J21 7 8X10 4X6 44 X2 2 617 kg cm2 J22 7 8X10 4X84 X2 6 39 kg cm2 电动机转动惯量很小可忽略 因此 总的转动惯量 J 1 i2 JS J22 J21 J1 1 1 252 11 475 6 39 2 617 0 463 14 519 kg cm2 所需转动力矩计算 快速空载起动时所需力矩 M Mamax Mf M0 最大切削负载时所需力矩 M Matf Mf M0 Mi 快速进给时所需力矩 M Mf M0 式中 Mamax一 空载起动时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 M 由于丝杠预紧所引起 折算到电动机轴上的附加摩擦力矩 太原工业学院毕业设计 13 Mat 切削时折算到电动机轴上的加速度力矩 Mi 折算到电动机轴上的切削负载力矩 Ma 10 4Jn 9 6T 当 n nmax时 Mamax Ma nmax vmaxi L 200X1 25 6 416 7r min Mamax 14 519X416 7X10 4 9 6X0 025 2 52N m ni n0if1 L 1000X100X0 3X1 25 3 14X80X6 24 88r min Mat 14 519X24 88X10 4 2X3 14X0 8X1 25 0 1505N m Mf F0 L0 2X3 14X 2 fW L 2X3 14X i 当 0 8 f 0 16 则 Mf 0 16X80X0 6 2X3 14X0 8X1 25 12 23 N cm M0 P0 L0 1 02 2X3 14X i 当 0 0 9 时 预加载荷 P0 FX 3 则 M0 FX L0 1 02 6 X3 14X i 76 38X0 6X 1 0 92 6X3 14X0 8X1 25 4 62 N cm Mi Fx L0 2X3 14X 2 76 38X0 6 2X3 14X0 8X1 25 72 97 N cm 所以 快速空载起动所需力矩 M Mamax Mf M0 25 72 1 223 0 462 274 05 N cm 太原工业学院毕业设计 14 切削时所需力矩 M Mat Mf M0 Mi 1 536 1 223 0 462 7 297 105 18 N cm 快速进给时所需力矩 M Mf M0 1 223 0 462 16 85 N cm 由以上分析计算可知 所需最大力矩 Mmax发生在快速起动时 Mmax 274 05 N cm 2 2 3 横向进给机构的改造 1 横向进给运动是由伺服电动机带轮齿数均为 24 的同步带传动通过安全离合 器直接驱动有预加载荷的滚珠丝杠 将旋转运动转变为十字溜板的横向 X 向 运动 2 保留原手动机构 用于调整操作 原有的支撑结构也保留 步进电机 齿 轮箱体安装在中拖板的后侧 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 步进电机安装在床鞍上 用法兰盘或联接套 将步进电动机的机床床鞍联接起来 以保证其同轴度 提高传动精度 2 2 4 进给系统的设计计算 由于横向进给系统的设计计算与纵向类似 所用到的公式不再详细说明 只 计算结果 已知条件是 工作台重 W 300N 太原工业学院毕业设计 15 时间常数 T 25ms 滚珠丝杠基本导程 L0 4mm 左旋 行程 S 190mm 脉冲当量 P 0 005mm step 步距角 0 75 step 快速进给速度 Vmax 1m min 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 1 2 Fz 1 2X152 76 763 8N 在切断工件时 FY 0 5Fz 0 5X76 38 381 9N 滚珠丝杠设计计算 强度计算 对于燕尾形导轨 2 P KFY f FZ W 取 K 1 4 f 0 2 则 P 1 4X38 19 0 2 76 38 30 747 4N 强度计算 寿命值 3 L1 60n1T1 106 60X15X15000 106 13 5 最大动负载 Q L1 3PfwfHP 13 51 3X12X1X74 74 2135 5N 根据最大动载荷 Q 的值 可选择滚珠丝杠的型号 例如 滚珠丝杠可以参照汉江 机床的产品样本选取 FC1B 系列 滚珠丝杠公称直径为 20mm 型号为 FC1B20X4 5 E 左 其额定动负荷为 5393N 所以强度足够用 效率计算 螺旋升角 3 38 摩擦角 10 则传动效率 4 太原工业学院毕业设计 16 tan tan tan3 38 tan 3 38 10 0 956 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P引起的导程变化量 5 L1 PL0 EF 74 74x10 x0 4x4 3 14X20 6X106X1 76192 5 96X10 8cm 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L2很少 可忽略 即 L L1 所以 导程变形总误差为 100 L L0 5 96x10 6x100 0 4 14 9 m m 查表知E级精度丝杠的允许的螺距误差 1m长 为15 m m 故刚度足够 稳定性验算 由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同 而支撑方式由原来一 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 故不再验 算 齿轮及转矩的有关计算 有关齿轮计算 传动比为 6 i L0 360 p 0 75X4 360X0 005 1 67 故取 Z1 18 Z2 30 太原工业学院毕业设计 17 m 2mm b 20mm 20 d1 mz 2X18mm 36mm d2 mz2 2X30mm 60mm da1 d1 2ha 40 mm da2 d2 2ha 64 mm a d1 d2 2 36 60 2 48 mm 转动惯量计算 工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量 7 J1 180p 3 14 2W 180X0 005 3 14X0 75 2X80 0 0439kg cm2 丝杠的转动惯量 JS 7 8X10 4D4 L1 7 8X10 4X24X50 0 624 kg cm2 齿轮的转动惯量 J21 7 8X10 4X3 64 X2 0 262 kg cm2 J22 7 8X10 4X64 X2 2 022 kg cm2 电动机转动惯量很小可忽略 因此 总的转动惯量 J 1 i2 JS J22 J21 J1 3 5 2 0 624 2 022 0 262 0 0439 1 258kg cm2 所需转动力矩计算 nmax vmaxi L0 1000 x5 3 4 46 7 r min Mama 10 4Jnmax 9 6T 1 258x416 7x10 4 9 6x0 025 0 2184N m nt nift L0 1000X100X0 15X5 3 14X2X0 8X5 0 028 N m 太原工业学院毕业设计 18 Mat 1 258X33 17X10 4 9 6X0 025 0 017 N m Mf F0 L0 2X3 14X i 0 2X30X0 4X3 2X3 14X0 8X5 0 028 0 028 N m M0 FX L0 1 02 6 X3 14Xni 0 011 N m Mt Fr L0 2X3 14X i 38 19X0 4X3 2X3 14X0 8X5 0 179 N m 快速空载起动时所需力矩 M Mamax Mf M0 2 23 0 287 0 116 26 33 N m 切削时所需力矩 M Mat Mf M0 Mt 0 1774 0 287 0 116 1 824 24 04 N m 快速进给时所需力矩 M Mf M0 0 287 0 116 4 03 N m 从以上计算可知 最大转矩发生在快速启动时 Mamax 26 33 N m 纵 横向进给机构都采用了一级齿轮减速 并用双片齿轮错齿法消除间隙 双 片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙 因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况 当 负载较大时 弹簧弹力显得小 起不到自动消除间隙的作用 当负载较小时 弹簧 弹力又显得大 则加速齿轮的磨损 为此采用人工定期调整螺钉紧固的办法来消除 间隙 刀架的