机械毕业设计论文—普通车床的数控化改造

毕业设计说明书题目普通车床的数控化改造专业机械制造及其自动化学号班级姓名普通车床的数控化改造目录一、问题的提出4二、机床数控改造的意义421节省资金422性能稳定可靠423提高生产效率4三、设计任务与总体方案的确定531、改造方案的确定532、车床的改造确定的总体改造方案533、机械部分改造的设计634、纵向进给系统的设计计算835、横向进给系统的设计计算13四、步进电动机选择19五、总结20六、致谢词21七、参考文献22摘要本设计说明书包括概论、总体设计方案的拟定和验证、主传动部分的改造设计、伺服进给系统的改造设计、自动转位刀架的选择设计。改造后的机车，主运动实现自动变速，纵向、横向进给系统进行数控控制，并要求达到纵向最小运动单位为001/脉冲，横向最小运动单位0005/脉冲，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹。关键字数控改造进给系统滚珠丝杠一、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。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。二、改造的意义21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。22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。23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。三、设计任务与总体方案确定31改造方案的确定（1）设计任务书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001MM/脉冲，横向脉冲当量为0005/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。32车床的改造确定的总体改造方案对机床的改造部位是拆掉手动刀架和小拖板装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；主轴后端加一光电编码器用波纹管连接，供加工螺纹使用；数控系统选用江苏东方数控新技术公司生产的NIM9702数控系统；驱动系统的设计。由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低成本。总体改造如图1所示图1C616车床总体改造图33机械部分改造的设挤1纵向进给机构的改造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12纵向结构图1滚珠丝杠副2步进电动机34纵向进给系统的设计计算已知条件是工作台重力W800N时间常数T25MS滚珠丝杠基本导程L6MM脉冲当量001MM/STEP步距角075/STEP快速进给速度V2M/MIN1切削力的计算由机床设计手册可知切削功率NCNK式中N电动机功率，查机床说明书，N4KW主传动总效率，一般为0607，取065K进给系统功率系数，取为K096则NC4X065X096KW又因为NCFZV/6120FZ6120NC/V式中V切削线速度，取V100M/MIN主切削力为FZ6120X2496/100KGF15276KGF15276N由金属切削原理可知，主切削力FZCFZPFYFZKPZ查表得CFZ188KGF/MM21880MPAXFZ1YFZ075KPZ1则可计算FZ1520N时，切削深度AP2MM，进给F03MM，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AP/MM222333F/MM020304020304FZ/MM112515241891168722872837FX0106FZFZ01507FZ取FX05FZ05X15276N7638NFY06FZ06X15276N9165N2滚珠丝杠设计计算综合导轨车床丝杠的轴向力PKFXFFZW式中K115,F015018,取为016P115X7638016X1527680012508N强度计算寿命值L160N1TI/106N1N主F/L01000VF/314DL0取工件直径D80MM,查表得T115000H则N11000X100X03/314X80X620R/MINLI60X20X15000/10618最大动负载QL1/3PFWFH查表得运转系数FW12硬度系数FH1则Q181/3X12X1X1250839336N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FFZL3206LH3，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325TAN325/TAN325100953刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量L1PL0/EF式中L06MM06CM；E206X166NCM2。滚珠丝杠截面积F314XD/2280312X314MM2则L1PL0/EF12508X06/206X106X28031/22X31459X106CM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/L0100/06X59X10698M/M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。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。齿轮及转矩的有关计算。有关齿轮计算传动比为IL0/360P075X6/360X001125故取Z132Z240M2MMB20MM20D1MZ2X32MM64MMD2MZ22X40MM80MMDA1D12HA68MMDA2D22HA84MMAD1D2/26480/272MM转动惯量计算工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量J1180P/3142W180X001/314X0752X800468KGCM2丝杠的转动惯量JS78X104D4L178X104X324X140311475KGCM2齿轮的转动惯量J2178X104X644X22617KGCM2J2278X104X84X2639KGCM2电动机转动惯量很小可忽略因此,总的转动惯量J1/I2JSJ22J21J11/1252（11475639）2617046314519KGCM2所需转动力矩计算快速空载起动时所需力矩MMAMAXMFM0最大切削负载时所需力矩MMATFMFM0MI快速进给时所需力矩MMFM0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；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。MA104JN/96T当NNMAX时，MAMAXMA。NMAXVMAXI/L。200X125/64167R/MINMAMAX14519X4167X104/96X0025252NMNIN0IF1/L1000X100X03X125/314X80X62488R/MINMAT14519X2488X104/2X314X08X12501505NMMFF0L0/2X314X2FWL。/2X314XI当08F016则MF016X80X06/2X314X08X1251223NCMM0P0L0（102）/2X314XI当009时，预加载荷P0FX/3，则M0FXL0（102）/6X314XI7638X06X（1092）/6X314X08X125462NCMMIFXL0/2X314X27638X06/2X314X08X1257297NCM所以，快速空载起动所需力矩MMAMAXMFM0（257212230462）27405NCM切削时所需力矩MMATMFM0MI（1536122304627297）10518NCM快速进给时所需力矩MMFM0（12230462）1685NCM由以上分析计算可知所需最大力矩MMAX发生在快速起动时MMAX27405NCM35横向进给系统的设计计算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横向进给机构改造保留原手动机构，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。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3横向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W300N时间常数T25MS滚珠丝杠基本导程L04MM左旋行程S190MM脉冲当量P0005MM/STEP步距角075/STEP快速进给速度VMAX1M/MIN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1/2。FZ1/2X152767638N在切断工件时FY05FZ05X76383819N1滚珠丝杠设计计算。强度计算对于燕尾形导轨PKFYF（FZW）取K14F02则P（14X381902（763830）7474N强度计算寿命值L160N1T1/10660X15X15000/106135最大动负载QL1/3PFWFHP1351/3X12X1X747421355N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FC1B20X45E左，其额定动负荷为5393N,所以强度足够用。效率计算螺旋升角338摩擦角10则传动效率TAN/TANTAN338/TAN338100956刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程变化量L1PL0/EF（7474X10X04X4/314X206X106X176192）596X108CM滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2很少，可忽略，即LL1所以，导程变形总误差为100L/L0596X106X100/04149M/M查表知E级精度丝杠的允许的螺距误差（1M长）为15M/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IL0/360P075X4/360X0005167故取Z118Z230M2MMB20MM20D1MZ2X18MM36MMD2MZ22X30MM60MMDA1D12HA40MMDA2D22HA64MMAD1D2/23660/248MM转动惯量计算工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量J1180P/3142W180X0005/314X0752X8000439KGCM2丝杠的转动惯量JS78X104D4L178X104X24X500624KGCM2齿轮的转动惯量J2178X104X364X20262KGCM2J2278X104X64X22022KGCM2电动机转动惯量很小可忽略因此,总的转动惯量J1/I2JSJ22J21J1（3/5）2（06242022）0262004391258KGCM2所需转动力矩计算NMAXVMAXI/L01000X5/3/4467R/MINMAMA104JNMAX/96T1258X4167X104/96X002502184NMNTNIFT/L01000X100X015X5/314X2X08X50028NMMAT1258X3317X104/96X00250017NMMFF0L0/2X314XI02X30X04X3/2X314X08X50028NMM0FXL0（102）/6X314XNI0011NMMTFRL0/2X314XI3819X04X3/2X314X08X50179NM快速空载起动时所需力矩MMAMAXMFM0223028701162633NM切削时所需力矩MMATMFM0MT017740287011618242404NM快速进给时所需力矩MMFM002870116403NM从以上计算可知最大转矩发生在快速启动时MAMAX2633NM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。刀架的改造。拆除原刀架和小拖板，换上数控刀架。进给传动链为普通车床改造后的进给传动链,刀具纵向Z轴移动由步进电机,经接口箱内一对减速齿轮,转动纵向移动的丝杆而实现。刀具的径向X轴移动由步进电机,经接口箱内一对减速齿轮,转动横向移动丝杆而实现,该传动链与原机床的传动链相比,摆脱了结构复杂的进给箱和拖板箱纵、横向齿轮箱和丝杠全部加防护罩，以保持防尘和机床整体美观。改造后的横向进给系统如图2所示。12横向结构图1步进电动机2滚珠丝杠副图2横向进给系统图四、步进电动机的选择1C616纵向进给系统步进电动机的确定MQM10/0427405X10/04685125NM为满足最小步距的要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表94知MQ/MJM0866，所以，步进电动机最大静转矩MJM为MJMMQ/0866685125/086679114NM步进电动机最高工作频率FMAXUMAX/60P2000/60X00133333HZ综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电动机，能满足使用需求2C616横向进给系统步进电动机确定MQML0/042633X10/0465825NCM查表94知；MQ/MJM0866所以，步进电动机的最大静转矩MJM为MJMMQ/086665825/08667001NCM步进电动机最高工作频率FMAXUMAX/60P2000/60X00133333HZ为了便于设计和采购，仍选用110BF003型直