CA6140型普通车床改造成经济型数控车床的设计.doc

目 录1 前言22 对机床机械部分改造总体方案设计32.1横向进给机构的改造32.2纵向进给机构的改造43 机械部分改造设计43.1 横向进给系统的设计与计算43.2纵向进给系统改造设计83.3数控车床的传动装置设计113.4自动转位刀架的设计184结论19参考文献20致谢22附录231 前言国外利用数字计算机进行控制加工是从40年代开始的。1952年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从60年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。1974年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。！所有下载了本文的注意：本论文附有CAD图纸和完整版word版说明书，凡下载了本文的读者请加QQ 83753222，或留下你的联系方式（QQ邮箱）最后，希望此文能够帮到你！由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。实践已经证明普通机床的经济型数控改造具有重大的实际价值：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。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。3） 提高生产效率。 机床经数控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。普通机床的数控改造对提高现有机床设备的利用率，提高零件加工精度和生产效率具有重要的现实意义。目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3。用普通机床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。为此，在旧有机床上进行数控改造有着较好的市场前景。本课题来源于生产实践。将CA6140型普通车床改造成经济型数控车床，应能实现CA6140车床原有功能，在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。在整个设计过程中满足以下几点要求：a横向（X向） 进给脉冲当量为0.005mm /脉冲；b进给速度范围：向 3 1000mm/min （无级调速）快进速度：X向 1000 3000mm/min内任意设定；c.原车床的主传动系统予以保留，横向进给系统由微机实现开环控制，两轴联动；d.刀架采用自动转位刀架，具有切削螺纹的功能；e.改造方便，成本低。该设计的总体思路是采用以8031单片机为核心的数控装置控制加工过程。微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠转动，从而使工作台产生移动，实现纵向、横向的进给运动。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将I/O输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响单片机程序运行，重则导致单片机接口电路的损坏，所以在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路，实现电气隔离。2 对机床机械部分改造总体方案设计机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。另外，车床数控改造的总体原则是在满足使用要求的前提下，对原机床的改动尽可能减少，以降低成本。改造过程中，为了充分发挥改造后数控系统的技术性能，保证改造后车床在系统控制下有较高的重复定位精度，减少低速爬行，并使其外型美观，性能稳定，机械装置的合理改造就显得异常重要。其中进给系统的改造又是整个机械装置改造的关键。一般进给系统改造方案是：用步进电机作为驱动元件，解除原传动系统，通过一级减速齿轮和滚珠丝杠螺母副带动工作台移动，保留手动进给机构用于微进给和机床刀具的对零操作。2.1横向进给机构的改造拆掉原手动刀架和小拖板，安装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱和溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副（传动效率高，达到90%）；保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，采用一级齿轮减速，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。2.2纵向进给机构的改造为使改造后的车床能充分发挥数控车床的效能，纵向丝杠螺母副一般需要调换成滚珠丝杠螺母副。当利用原丝杠螺母副时，为了减少改造工作量，纵向驱动电机及减速箱一般装在床身尾部，这时连接车床原传动系统（主轴系统）和纵向丝杠传动的离合器尚未拆除，工作时应使处于脱开位置。3 机械部分改造设计3.1 横向进给系统的设计与计算3.1.1 横向进给系统的设计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，以保证同轴度，提高传动精度。3.1.2 横向进给系统的设计计算已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算） W=30kgf=300N时间常数 T=25ms滚珠丝杠基本导程 L=4mm左旋行程 S=230mm脉冲当量 =0.005mm/step步距角 =0.75 /step快速进给速度 max=1mm/minA.切削力计算 查参考文献1可得知，横向进给量为纵向的1/21/3,取1/2,则切削力约为纵向的1/2 F=(1/2)152.76=76.38kgf=763.8N （3-1）在切断工件时：F=0.5F=0.5076.38=38.19kgf=381.9N （3-2）B.滚珠丝杠设计计算a.强度计算对于燕尾型导轨：P=KFy+f(Fz+W) （3-3）取K=1.4 f=0.2则 P=1.438.19+0.2（76.38+30） =74.74kgf=747.4N （3-4）寿命值 L =13.5 （3-5）最大动负载 Q=1.2174.74=213.55kgf=2135.5N （3-6）根据最大动负荷Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。查参考文献2可知，选用型号为WL2004-2.5X1B左，其额定动负荷为6100N，所以强度足够用。b.效率计算螺旋升角=339，摩擦角=10则传动效率 =0.956 （3-7）c.刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量L=5.9610-6cm （3-8）滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2很小，可忽略，即：L=L。所以，导程变形总误差为=L=5.9610-6=14.9m/m （3-9）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。d.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，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不用验算。C.齿轮及转矩有关计算a.有关齿轮计算传动比 i= （3-10）故取 Z=18 Z=30 m=2mm b=20mm =20d=36mm d=60mm d=40mm d=64mma=48mmb.转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量JI=（）2W=（）2300.01=0.0439kgfcm2（3-11）丝杠转动惯量JS=7.810-42450=0.624kgfcm2 （3-12）齿轮的转动惯量J=7.810-43.642=0.262kgfcm2 （3-13）J=7.810-4642=2.022kgfcm2 （3-14）电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量J= =1.258kgfcm2 （3-15）c所需转动力矩计算 n=41607r/min （3-16） M=Nm=2.23kgfcm （3-17） （3-18）m=0.1775kgfcm （3-19）= （3-20） （3-20） （3-22）所以，快速空载启动所需转矩 （3-23）切削时所需力矩： （3-24）快速进给时所需力矩： （3-25）从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时，=2.633kgfcm=26.33Ncm3.1.3步进电机的选择C6140横向进给系统步进电机的确定 （3-26）电动机选用三相六拍工作方式，查参考文献1表7-2知： （3-27）所以，步进电机最大静转矩为： （3-28）步进电机最高工作频率 （3-29）为了便于设计和计算，选用110BF003型三相六拍步进电机，能满足使用要求。3.2纵向进给系统改造设计3.2.1丝杠后支承采用双列向心球面球轴承后支承采用可自动调心的双列向心球面球轴承，如图3.1所示。双列向心球面球轴承不仅可承受径向载荷和轴向载荷，更重要的是能消除由于安装误差、导轨直线误差、加工过程中的切削变形而引起的轴和轴承之间的干涉，自动调节其相对位置，保证丝杠的回转精度和位置精度。图3-1双列向心球面球轴承3.2.2采用波形弹簧垫圈消除齿轮间隙车床的数控改造中，通常在传动装置上采用一级减速齿轮来提高扭矩和传动精度，而齿轮间隙会在系统每次变向之后使运动滞后于指令信号，即形成反向间隙，对加工精度产生影响。一般采用轴向压簧错齿结构，通过弹簧调节来消除间隙，尽管齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸大，结构不够紧凑。在改造中曾经采用过橡胶弹簧，但其力学性能比较复杂，大多数情况下载荷与变形的关系为非线性，而且耐高温和耐油性比钢弹簧差，容易老化。因此采用了波形弹簧垫圈消隙，如图3.2所示，既可以自动补偿间隙，又具有紧凑的结构。图3-2双片薄齿轮错齿消隙结构3.2.3传动轴与滚动丝杠的联轴器采用长联轴套为减小联轴器的径向尺寸和转动惯量，采用了套筒式联轴器；同时为保证被联接的两轴之间的同轴度和接触面积，联轴套的长度取120mm，约为弹性柱销联轴器的1.5倍。轴颈与轴套间用2个相互垂直的圆锥销定位锁紧，保证连接刚度，如图3.3所示。图3-3 套筒式联轴器3.2.4公差与配合的选用3.2.4.1轴套与轴颈间采用H7/k6采用这种配合，在装配时有少许过盈，以保证其精密定位和连接刚度，消除了配合件之间的振动。当使用一段时期后，需更换轴承或进行导轨修磨而拆卸时，又能方便将轴颈从轴套中取出。3.2.4.2与轴承配合的轴颈采用js6因为轴承是标准件，轴的公差采用js6与轴承过渡配合，平均间隙较小，并允许略有过盈，以保证其刚度要求，又能方便轴承的装卸。3.2.4.3滚珠螺母与螺母座之间采用H7/h6由于滚珠螺母与螺母座之间靠平键传递扭矩，故采用H7/h6配合，这样装配件之间有较小的间隙，可保证零件自由装拆，而工作时又能相对静止不动。CA6140数控改造后，纵向进给定位准确，性能参数稳定，显著提高了零件的加工精度和生产效率。3.3数控车床的传动装置设计 数控机床的传动装置是指将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链及其附属机构。包括丝杠螺母副、导轨、工作台等。在数控机床数字调节技术领域，传动装置是伺服系统中的一个重要环节。因此，数控车床的传动装置与普通车床中传动装置在概念上有重要差别，它的设计与普通车床传动装置的设计不同。数控车床传动装置的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态特性，即系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。为确保数控车床进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械传动装置时，通常提出了无间隙、低摩擦、高刚度等要求。为了达到这些要求，采取主要措施如下：a尽量采用低摩擦的传动，以减少摩擦力；b链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度；c量消除传动间隙，减少反向死区误差。3.3.1螺旋传动A概述 螺旋传动主要用来把旋转运动变为直线运动，或把直线运动变为旋转运动。其中，有以传递能量为主的传力螺旋，有以传递运动为主，并要求有较高传动精度的传动螺旋，还有调整零件相互位置的调整螺旋。螺旋传动机构又有滑动丝杠螺母、滚珠丝杠螺母和液压丝杠螺母机构。 在经济型数控车床的进给系统中，螺旋传动主要用来实现精密进给运动，并广泛采用滚珠丝杠副传动机构。 滚珠丝杠副传动是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间放入适当数量的滚珠。这些滚珠作为中间传动件，使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种传动装置。它由丝杠、螺母、滚珠及滚珠循环返回装置等四个部分组成。当螺杆转动螺母移动时，滚珠则沿螺杆螺旋滚道面滚动，在螺杆上滚动数圈后，滚珠从滚道的一端滚出并沿返回装置返回另一端，重新进入滚道，从而构成闭和回路。B滚珠丝杠副传动的特点a传动效率高，摩擦损失小。b给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。c启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。d有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。e磨损小，使用寿命长，精度保持性好。f制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值别别小，故制造成本高。g不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于中立的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，所以需要添加制动装置。C滚珠丝杠副的支承方式 为了满足高精度、高刚度进给系统的需要，必须充分重视滚珠丝杠副支承的设计。a一端固定 一端自由a) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性都很低。b) 结构简单c) 轴向刚度小d) 适用于较短的滚珠丝杠安装和垂直的滚珠丝杠安装b两端铰支a) 结构简单b) 轴向刚度小c) 适用于对刚度和位移精度要求不高的滚珠丝杠安装d) 对丝杠的热伸长较敏感e) 适用于中等回转速度c一端固定 一端铰支a) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高，适用于中等回转速度b) 结构稍复杂c) 轴向刚度大d) 适用于对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠安装e) 推力球轴承应安置在离热源（步进电机）较远的一端d两端固定a) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高，适用于高速回转b) 结构复杂，两端轴承均调整预紧，丝杠的温度变形可转化为推力轴承的预紧力c) 轴向刚度最大d) 适用于对刚度和位移精度要求高的滚珠丝杠安装e) 适用于较长的丝杠安装综上所述，本设计中滚珠丝杠副支承方式由原来的一端固定、一端悬空，变为一端固定，一端径向支承。D滚珠丝杠副轴向间隙的调整滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。消除间隙的方法采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外，还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。3.3.2 轴的结构设计A轴CAJJX6140-02-04的结构设计（1）选择轴的材料及热处理方法 因该轴无特殊要求，故选用HT150正火处理。（2）确定轴的各段直径由前面滚珠丝杠副的设计可知：滚珠丝杠的直径为20mm。由于丝杠与轴CAJJX6140-02-04通过联接套联接，考虑到轴的加工方便性和整体的连贯性，轴CAJJX6140-02-04的轴身部分直径与滚珠丝杠的直径相同，均为20mm，轴颈部分直径为17mm。（3）确定轴的各段长度 轴CAJJX6140-02-04的各段长度应根据实际工作需要而定，通过前面的计算和机床实际情况，轴身部分取155mm，轴颈部分取26mm。由此可定出轴的总长为181mm .（4）轴的强度校核 （a）如下所示，确定危险截面上的扭矩Tmax.由图可知最大扭矩为Tmax=2633Nm（b）按强度条件校核轴的强度，由公式得大于轴的设计直径为20mm ,满足条件。(c)按刚度条件校核轴的强度，由公式得小于轴的设计直径为20mm ,满足条件。图3-4 轴CAJJX6140-02-04B轴CAJJX6140-02-08的结构设计（1）选择轴的材料及热处理方法 因该轴无特殊要求，同样选用HT150正火处理。（2）确定轴的各段直径考虑与轴承内经的配合，所以该轴两端支承部分直径为17mm。其余部分直径为15mm。（3）确定轴的各段长度由于该轴需与法兰盘联接，而且该轴相对较长，因此在设计时为了方便安装，降低装配难度，将轴身部分增加一个轴肩，直径适当减小，使其有一过渡，轴身直径为15mm。因为该轴的右端还需安装一个透盖，用双螺母对其紧固。轴与透盖用一键使其周向固定。查参考文献3可知，根据轴的直径选用型号为GB/T1098-1979的键，键槽宽度为3mm，深度为3.8mm。（4）轴的强度校核 (a)画扭矩图，并确定危险截面上的扭矩TmaxAB段：T1=-2633NmBC段：T2=1316 Nm由扭矩图可知，最大扭矩发生在BC段，即为危险截面。最大扭矩为：T=2633 Nm（取绝对值）（b）按强度条件校核轴的强度，由公式得小于轴CAJJX6140-02-08最细部分的设计直径15mm，满足要求。(c)按刚度条件校核轴的强度，由公式得小于轴CAJJX6140-02-08最细部分的设计直径15mm，满足要求。图3-2 轴CAJJX6140-02-083.3.3透盖的结构设计透盖的内径和长度由与之配合的轴CAJJX6140-02-08的直径和长度决定，所以透盖的直径为16mm,长33mm。因为选用型号为GB/T1098-1979的键，查参考文献3可知，毂t1=1.4mm，上偏差为+0.1，下偏差为0。外圆的直径由法兰盘的直径决定，为96mm。图3-3 透盖CAJJX6140-02-013.3.4螺母座的结构设计螺母座的长度根据滚珠螺母的长度而定。螺母座与滚珠螺母通过键进行轴向固定，查参考文献4可知，该键型号选用GB/T1096-1979，4430。滚珠丝杠副通过螺母座带动工作台移动，因此螺母座通过螺钉与工作台联接。查参考文献4可知，螺钉型号选用GB/T70-1985。图3-4 螺母座CAJJX6140-02-073.4自动转位刀架的设计 自动转位刀架的设计是普通机床数控改造机械方面的关键。在进行普通车床的经济型数控改造时，多采用外购自动转位刀架。由微机控制的自动转位刀架具有重复定位精度高,工件刚性好,性能可靠,使用寿命长以及工艺性好等特点。自动转位刀架设计时,刀架要能自动完成抬起、回转、选位、下降、定位和压紧,即要设计出合理的机构又要检测出个顺序动作的电信号,以便由控制系统加以控制。刀架的回转常采用微电机通过蜗轮蜗杆使刀架抬到一定高度时,由拨块带动刀架转动。刀架的选位由刀架位置的编码和微机程序来实现。这里选用的是LD4-1型自动刀架，其工作原理是由微机发出换刀信号,使微电机正转,通过减速机构和升降机构将上刀体升至一定位置时,离合转盘起作用,带动上刀体旋转,旋转到所选刀位,发信盘发出刀位信号,使微电机反转,反靠初定位,上刀体下降,齿牙盘啮合，完成精定位，并通过蜗轮蜗杆，锁紧螺母，使刀架固紧。当夹紧力达到预先调好的状态时，过流继电器动作，切断电源，电机停转，并向微机发出回答信号，开始执行下道工序。刀架的动作顺序简明地表示为：微电机减速机构升降机构上刀体上升转位信号符合粗定位机构上刀体下降精定位刀体锁紧微电机停转换刀回答信号加工顺序执行。4结论经过经济型数控改造后的CA6140型普通车床，采用以8031单片机为核心的数控装置对加工过程进行控制处理，其横向（X向） 进给脉冲当量为0.005mm /脉冲，进给速度范围为 3 1000mm/min （无级调速），快进速度可以在1000 3000mm/min内任意设定。而且运行可靠，抗干扰能力强。改造后的经济型数控车床不但实现了CA6140型普通车床的原有功能，而且在机床的加工精度、性能、自动化程度等方面也有所提高，利用数控方法可以准确地加工任意面的旋转体。它满足了现代加工工艺的要求,提高了劳动生产率，大大降低了工人的劳动强度，给企业带来了巨大的经济效益。和选用新的数控车床相比，经济型数控车床为企业节约了大量的购买资金，还节约了订购新的数控车床的交货周期的时间，而且没有造成原有设备的闲置浪费。因此，它适合于中小企业的车床改造。 参 考 文 献1张新义主编.经济型数控车床系统设计M.北京：机械工业出版社，1994.2机床设计手册编写组编机床设计手册2零件设计（上册）M北京：机械工业出版社，1980.3成大先主编机械设计手册单行本联接与紧固J北京：化学工业出版社，2004.14徐灏主编.机械设计手册第二版第三卷M.北京：机械工业出版社,2000.65赵松年、戴志义主编.机电一体化数控系统设计M.北京：机械工业出版社，1994.6赵