C616数控改造设计

目 录摘要 -1一、CA6140 机床参数-1二、车床数控改造总体方案的确定-2三、机械部分改造设计与计算-5（一）纵向进给系统的设计与计算-5（二）横向进给系统的设计与计算-11（三）滚珠丝杠螺母副的预紧调整-14四、步进电机-15（一）步进电机的工作原理-15（二）步进电机选用的基本原则-16（三）步进电机的选择-17五、自动转位刀架的选用-18六、主轴脉冲发生器-19七、立轴的工艺设计及应用程序的编制-21（一）工艺分析-21（二）数控机床参数及相关约定-22（三）编程参数-23（四）刀具走刀路线-24（五）编程-25（ 六 ） 仿 真 -30小结-31参考文献-32 1CA6140 型车床数控改造说明书本课题是围绕将 C6140 普通机床改造成经济型数控机床展开设计的，改造的目的是为了实现对一典型零件立轴（详见附图）的加工。改造现有的普遍车床，主要考虑的问题是，如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，改造成由数控装置控制的自动进给加工以及刀架自动转位的车床，即经济型数控车床。本设计选用 JWK15T 数控装置，这是一个开环控制系统，配套的伺服装置分别是 JWF7、JWF8 减速步进电机。自动转位刀架选用 LD4-型刀架，该刀架具有同类产品最先进的产品。车床机械部分的改造包括 X 向、Z 向进给系统的设计，包括滚珠丝杠的选型及相关机械结构的设计。进给系统的设计特别注意到滚珠丝杠安装的位置必须保证原机床相关参数的实现，即改造后车床的最大加工范围与原机床相一致。从立轴的结构形状来看，车加工采用数控加工较为合理，本设计在对立轴进行工艺分析的基础上，结合数控加工的特点，合理安排了刀具的走刀路线和加工余量，并编制了相应的应用程序，经仿真得到滿意的效果。为保证立轴批量生产时轴向定位的一致性，专门设计了端面齿拔动顶尖，同时也提高了生产效率。由于立轴的结构尺寸较小（最大外径为 90，最大长度为 224） ，故本课题选用 CA6140 普通车床进行数控改造。一、C6140 机床参数CA6140 型车床是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通车床。CA6140 机床参数详见下表 1：表 1床 身 上 320 级 数 18最大加工直径（mm） 刀 架 上 175主轴转速 范围（r.p.m） 142000最大加工长度（mm） 1000 圆 度 0.01公 制（mm） 0.59 圆 柱 度 0.01/100英 制（牙/寸）238 平 面 度 0.01/100加 工螺 纹模 数（mm） 0.59工作精度（mm）粗糙度 Ra(m) 2.5小刀架（mm） 100 主 电 机 4刀 架行 程 纵 向（mm）电机功率（KW） 总 容 量 4.09 2横 向（mm） 195 外形尺寸（mm）长宽高 25008211190二、车床数控改造总体方案的确定本设计任务是对 CA6140 普通车床进行数控改造。利用经济型数控系统对纵、横进给系统进行开环控制。机 床 刀 架图 1 开环控制系统框图纵向脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为 0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能减少，以降低成本。根据 CA6140 车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为：采用 JWK15T 经济型数控系统分别控制 X 向、Z 向的歩进电机，歩进电机经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现刀架的纵向、横向进给运动。CA6140 普通车床改造总体方案详见图 2。 3加工工件图纸数控程序编制控制计算机功率放大器手工输入JWK15T 数控系统由高性能、高可靠性的 8031 单片机和步进电机伺服驱动所组成，采用 ISO 国际标准数控代码编程，能自动完成车削端面、内外圆、倒角、任意锥面、球面及公英制单、多头圆柱、圆锥螺纹加工，并配有完备的 S、T、M 功能，该系统采用模快化设计，内部设有计算机、电源、接口、驱动等四种模快，更换维修方便快速。该系统性能参数列表如下：表 21 生产厂家 南京微分电机厂江南机床数控工程公司2 用户容量 24K3 设定单位 X=0.005 Z=0.014 控制轴数 X、Z 两轴5 联动轴数 二轴6 编程尺寸 9999.997 快速(X/Z)向 316/8 G 功能 G00G04 G22G29 G32、G33、G36、G37、G9、G80、G929 M 功能 M00M09 M20M29 M92M99图 2 CA6140 普通车床改造总体方案示意图 410 S 功能 S01S04 S05S1011 T 功能 T1XT8X12 步进电机 220V 10%50HZ13 控制精度 1 步14 功耗 W 36015 环境温度 040C16 相对温度 80%（25C）17 外形尺寸（）34040022018 系统重量 17 kgJWK15T 系统面板布置详见图 3。 5图 3 JWK15T 系统面板图从 JWK15T 系统所具备的功能来看，CA6140 车床采用该系统进行数控化改造后，机床的性能得到了显著的提高。具体表现为：（1）能控制刀具的位移方向、位移长度及走刀速度。加工程序中的位移长度以十进制数 。（2）单片机数控系统走刀速度有用户任意选用，其范围伪 06m/min，可根据具体情况进行调整。（3）可控制车削端面、内外圆柱面、任意锥面、球面及用圆弧逼近的任意曲面。（4）可控制加工右旋或左旋的各种内外圆柱、圆锥螺纹及多头螺纹。（5）程序中可给出一定延时。在加工执行到延时程序时，刀具在相应时间内停止运动。 6（6）有程序暂停功能。当程序执行到暂停时，刀具停止运行，再按下启动键，可继续执行程序。（7）接口可发出和接收多种信号作为机械手动作、刀架转位、主轴变速等装置的控制信号，它与程序的自动循环功能相结合，可实现加工的全自动化。（8）为方便调试和校对原点，设有点动功能。（9）具有自诊断功能。当加工程序编制或操作有误时，程序停止运行，并显示相应的出错信息，以便修改。（10）加工过程中，为应付特殊情况，设有开关暂停键急停和回零功能。（11）具有自动循环加工功能，并可进行计数。（12）为简化加工程序，设有局部循环功能。（13）为提高加工精度，设有间隙补偿功能。三、机械部分改造设计与计算（一）纵向进给系统的设计与计算1.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机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。对车床改造来说，外观不必象产品设计要求那么高，而从改造方便、实用方面来考虑，一般把步进电机放在纵向丝杠的右端。2.纵向进给系统的相关计算已知条件： 工作台重量： W=80kgf=80N（根据图纸粗略计算）时间常数： T=25ms滚珠丝杠基本导程：L 0=6mm行程： S=640mm脉冲当量： p=0.01mm/step步距角： =0.75/step快速进给速度： V max=2mm/min(1)切削计算 由机床设计手册 可知，切削功率Nc=NK 7式中 N电机功率，查机床说明书，N=4KW； 主传动系统总效率，一般为 0.60.7 取 =0.65； K进给系统功率系数，取为 K=0.96。则： Nc=40.650.96=2.496KW又因为NC= 6120vFZFZ= v所以 式中 v切削线速度，取 v=100m/min。主切削力FZ =152.76(kgf)=1527.6(N)由金属切削原理 可知，主切削力FZ=CFz ap XFz f YFz KFz查表得： C Fz=188kgf/mm21880MpaXFz=1 YFz=0.75 KFz=1则可计算 FZ 如表 3 所示： 表 3 FZ计算结果ap(mm) 2 2 2 8 8 8f(mm) 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4FZ(N) 1125 1524 1891 1687 2287 2837当 FZ=1520N 时，切削深度 ap=2mm, 走刀量 f=0.3mm，以此参数做为下面计算的依据。从机床设计手册 中可知，在一般外圆车削时：FX =（0.10.6）F Z FZ=(0.150.7) F Z取： FX=0.5 FZ=0.51527.6=763.8NFY=0.6 FZ=0.61527.6=916.5N 8(2)滚珠丝杠设计计算综合导轨车床丝杠的轴向力： P=KFX+f(F Z+W)式中 K=1.15，f=0.150.18，取为 0.16。则P=1.15763.8+0.16(1527.6+800)=1250.8N1)强度计算：寿命值 L i= 610iTnn1= =0f主 0DLvf取工件直径 D=80 mm,查表得 T i=15000h则：n1= =20r/min6804.3.Li= =1852最大动负载 Q= HwfP31查表得： 运转系数 f w=1.2 硬度系数 f H=1则Q= 1.211250.8=39933.6N318根据最大动负载 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 FC1B 系列，滚珠丝杠直径为 32mm,型号为 FC1B3265E2，其额定动载荷是 10689N，所以强度足够用。2）效率计算：根据机械原理 的公式，丝杠螺母副的传动效率 为：= )(vtg式中 摩擦角 =10螺旋升角 =325则 9= =0.953)10253(tg3)刚度验算：滚珠丝杠受到工作负载 P 引起的导程的变化量 L 1= EFL0式中 L 0=6mm=0.6cm；E=20.6166N/ cm2。滚珠丝杠截面积 F=( )2=（ ） 23.14d8031.则L 1= =5.910-614.3)280.(6.20615滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L 2很小,可忽略,即：L=L 1。所以：导程变形总误差为 = = 5.910-6=9.8m/mL016.查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（1m 长）为 15m/m，故刚度足够。4）稳定性验算：由于机床原丝杠直径为 30mm，现选用的滚珠丝杠直径为 32 mm，支承方式不变，所以稳定性不存在问题。(3)齿轮及转距的有关计算1）有关齿轮计算传动比i= = =1.25PL36001.675故取 Z 1=32mm Z2=40m=2mm b=20mm =20d1=m Z1=232=64mmd2= m Z2=240=80mmd1 =d1 +2ha*=68mmd2 =d2+2ha*=84mm 10= = =7221d80642)转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：J1=( )2W=( )280=0.468 2p8075.01438=4.68N 2丝杠的转动惯量：JS=7.810-4D4L1=7.810-43.24140.3=11.475 2=114.75N 2齿轮的转动惯量：JZ1=7.810-46.442=2.617 2=26.17 N 2JZ2=7.810-4842=6.39 2=63.9 N 2电机转动惯量很小可以忽略。因此,总的转动惯量：J= (JS+JZ2)+ JZ1+ J121i= (11.475+6.39)+2.617+0.46825.1=14.519 2=145.19N 23）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩M=Mamax MfM 0最大切削负载时所需力矩M=Mat MfM 0M t快速进给时所需力矩M= MfM 0式中 M amax 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； 11Mat 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= 10-4NmTJn6.9当 n=nmax时 M amax =Manmax= = =416.7r/min0maxLiv25.1Mamax= 10-4=2.52Nm=25.72f.697451当 n=nt时 M a=Matnt= = = =24.88r/min0Lfi主 0fDvi68014.325.Mat= 10-4=0.1505Nm=1.536f25.69841Mf = =iF0iWf0当 0=0.8 f=0.16 时Mf = =1.223f25.1804.326M0 = (1- 02)iLP当 0=0.9 时预加载荷 P0= Fx则：3M0= = =0.462f=4.62NiLFx6)1(225.184.)90(67Mt= = =7.297f=72.97 Nix20.3所以, 快速空载启动时所需力矩：M=Mamax MfM 0=25.721.2230.462=27.405f=274.05N切削时所需力矩：M=Mat MfM 0M t 12=1.5361.2230.4627.297=10.518f=105.18 N快速进给时所需力矩：M= MfM 0=1.2230.462=1.685f=16.85 N由以上分析计算可知：所需最大力矩 Mmax发生在快速启动时，Mmax=27.405f=274.05 N（二）横向进给系统的设计和计算1. 横向进给系统的设计车床经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。步进电机安装在大拖板上，用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。2横向进给系统的相关计算由于横向进给系统的设计和计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算） W=30f=300N时间常数 T=25ms滚珠丝杠基本导程 L 0=4 左旋行程 S=190脉冲当量 p=0.005/step步距角 =0.75/ step快速进给速度 v max=1m/min(1)切削力计算 横向进给量为纵向的 1/21/3，取 1/2，则切削力约为纵向的 1/2FZ=0.5152.76=76.38f=763.8N在切断工件时：Fy=0.5 FZ=0.576.38=38.19f=381.9N(2)滚珠丝杠设计计算1）强度计算：对于燕尾型导轨： 13P=KFyf(F zW)取 K=1.4 f=0.2则P=1.438.190.2(76.3830)=74.74f=747.4N寿命值 Li= = =13.5610Tn605最大动负载Q= = =213.55f=2135.5NPfHWi3 74.12.53根据最大动负载 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 FC1B 系列，滚珠丝杠公称直径为 20，型号为 FC1B2045E2左，其额定动负载为 5393N，所以强度足够用。2）效率计算：螺旋升角 =338，摩擦角 =10则传动效率= = =0.956)(tg)0183(tg3）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量L 1= = =5.9610-6EFPL0 26719.0.214.347滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L 2很小，可忽略，即：L=L 1所以导程变形总误差为= mL/9.14096.5410查表知 E 级精度丝杠允许的螺旋误差（1m 长）为 15m/m，故刚度足够。4）稳定性验算：由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。(3)齿轮及转矩有关计算1）有关齿轮计算 14传动比 i= 67.1350.36470pL故取 Z 1=18 Z2=30m =2 b=20 =20d1=36 d 2=20d1 =40 d 1 =64a=482)传动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：J1= 20439.13)75.01438()80( 22 Wp丝杠的转动惯量：JS=7.810-4D4L1=7.810-42450=0.624 2齿轮的转动惯量：JZ1=7.810-43.642=0.262 2JZ2=7.810-4642=2.022 2电机转动惯量很小可以忽略。因此，总的转动惯量：J= 0439.2.)0.624.()53)(1122 JJiZS=1.258 23）所需转动力矩计算nmax= min/7.416350maxrLivMamax= Nm=2.23f28.025.697418.106.944maxTJnt= =33.17r/min3.3.001DLvfif主Mat= =0.0174 Nm=0.1775 kgf425.6978. 15Mf= = = 0.287f=0.028 NmiLF20iWf0 58.01432.M0= 0.116f=0.011 Nm)9.(.69.)1(6 202iYMt= 1.824f=0.179 Nm58.432.0iLFY所以，快速空载启动时所需转矩：M=MamaxM fM 0=2.230.2870.116=2.633f=26.33N切削时所需力矩：M=Mat MfM 0M t=0.17740.2870.1161.824=2.404f=24.04 N快速进给时所需力矩：M= MfM 0=0.2870.116=0.403f=4.03 N从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时，M max=2.633f=26.33 N（三）滚珠丝杠螺母副的预紧调整为保证反向传动精度和机构的轴向刚度，必须消除丝杠螺母的轴向间隙，并应适当预紧。通常采用双螺母结构来解决。本机床采用螺纹式调整机构，如图 4 所示。螺母 1及 2 由平键限制其转动，调整时，松开锁紧螺母并转动调整螺母 3，使螺母 2 作出轴向运动，达到消除间隙及预紧的目的。图 4 滚珠丝杠螺母螺纹式调整机构1 螺母 2 螺母 3 调整螺母 16四、步进电机(一) 步进电机选用合理选用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选择。现仅就选用步进电机最基本的原则说明如下：1步距角 步距角应满足： imn式中 i传动比 min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矩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。所以选用不进电机应满足Qi s式中 Q步进电机的积累误差； s系统对步进电机驱动部件允许的角度误差。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：1）启动力矩 一般启动力矩选取为：Mq 5.03L式中 M q电动机启动力矩；ML0电动机静负载力矩。根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表 4 所示。M jm为步进电机的最大静转矩，是步进电机技术数据中给出的。表 4 步进电机相数、拍数、启动力矩表相数 3 3 4 4 5 5 6 6运行方式 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 0.866 172）在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力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启动频率 由于步进电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：ftf cpm式中 f t极限启动频率；fcpm要求步进电机最高启动频率。（三）步进电机的选择1CA6140 纵向进给系统步进电机的确定Mq = 685.125 N4.015270。 L为满足最小步矩要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：M q/Mjm=0.866 所以步进电机最大静转矩 Mjm为：Mjm= 791.14 N86.0125.q步进电机最高工作频率fmax= Hz3.01.620maxpv综合考虑，查表选用 110BF003 型直流步进电机，能满足使用要求。实际选用 JBF-8减速步进电机（最大静力矩 12.3N.m，减速比 54，步距角 0.6） 。2CA6140 横向进给系统步进电机的确定Mq = N825.64.0132.L电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866所以，步进电机最大静转矩 Mjm为：Mjm= N01.768.256.0q步进电机最高工作频率 18fmax= =3333.3 Hz05.610maxpv为了便于设计和采购，仍选用 110BF003 型直流步进电机，能满足使用要求。实际选用 JBF-7 减速步进电机（最大静力矩 13N.m，减速比 53，步距角 0.45） 。五、自动转位刀架的选用自动转位刀架的选用是普通机床数控改造机械方面的关键，而由数控系统控制的自动转位刀架，具有重复定位精度高