C6140车床数控化改造课程设计.doc

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1、第 1 页 C6140 车床纵、横向进给系统经济型数控改造设计前 言我国目前机床总量为 380 万余台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，这说明我国机床数控化率不到 3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国内市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床

2、比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化” 。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的

3、发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要内容之一。机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。 第 2 页 随着计算

4、机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正

5、、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM 与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC 只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过 CAD/CAM 及自动编程系统进行编制。CAD/CAM 和CNC 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境

6、下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM 中的设定量，因而影响 CNC 的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了 CNC 向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。第 3 页 第一节 设计任务1.1 题目： CA6140车床纵、横向进给系统经济型数 控改造设计C6140 型普通车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大的普通型车床。经过大量实践证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是技术都是确实可行了。一般说来，如果原有车床的工作性能良好

7、，精度尚未降低，改造后的数控车床，同时具有数控控制和原机床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。1.2 任务把普通车床 C6140 改造成经济型数控车床。主要的任务要求如下所列：（1） 床身上最大加工直径 400mm;（2） 最大加工长度 1000mm；（3） X 方向（横向）的脉冲当量 ，Z 方向（纵向）脉 冲/m05.x；脉 冲/01.mz（4） X 方向最快移动速度 ， Z 方向为 ；in/3maxv min/60maxv（5） X 方向最快工进速度 ， Z 方向为i/40axf；in/80maxvf（6） X 方向定位精度 ，Z 方向 ；1.2.（7） 可以车削柱面、平面

8、、锥面与球面等；（8） 安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；（9） 数控系统可与 PC 机串行通信；第 4 页 第二节 总体方案的确定总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统的软件与硬件选择，进给传动方式和执行机构的选择等。1 将普通车床经数控化改造成经济型数控机床后，不仅要保证它的加工精度，而且要求整个车床的结构简单，制造成本很大的降低。考虑到上面的情况，进给伺服系统选择步进电动机控制的开环控制系统。2 根据任务要求的最大加工直径以及最大加工长度、最快移动速度和最快工进速度，以及数控系统的简单方便，数控系统的 CPU 选用 MCS-51 系列的8 位单片机。M

9、CS-51 系列 8 位单片机具有下面的特点：功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高的诸多优点。3 为了实现数控系统的所有要求，需对单片机进行以下的操作数据存储器、扩展程序存储器、键盘与显示电路、D/A 转换电路、串行接口电路、 I/O接口电路等，同时需选择步进电动机的驱动电源。4 要达到任务要求你的精度要求和速度要求，纵、横向的进给传动系统的选用要考虑到摩擦力小，而且要考虑到传动精度高以及传动效率搞的问题，因此传动系统选用滚珠丝杠螺母副；任何零件的装配之间存在这间隙，二位了消除间隙就要考虑如何去消除它来提高系统的精度，因此滚珠丝杠的螺母应有预紧机构。5 步进电动机的选择需要考虑到任务要求里

10、的脉冲当量以及转动惯量，同时考虑到脉冲当量，为了满足要求需要减速齿轮副，既然有了齿轮那就得考虑齿轮间隙，即要有消间隙机构。6 为了提高系统的操作方便性需要四工位自动回转刀架与电动卡盘。第 5 页 第三节 机械系统的改造设计方案3.1 主轴系统的改造方案对 CA6140 机床进行数控化改造时，选择保留原有的主传动机构和变速操纵机构，因为如果对其进行改造那么任务量太大而且也没多大的帮助。主轴的正转、反转和停止由数控系统负责完成。3.2 安装电动卡盘数控化改装的要求就是提高加工效率，同时使车床的操作简单方便，因此工件的定位选用电动卡盘，而 KD11250 型电动三爪自定心卡盘就可以很好的实现这个要求

11、。卡盘的控制由数控系统完成。3.3 换装自动回转刀架考虑到车床的加工精度和自动化程度，如果安装自动回转刀架可以完成一次装夹多道工序，则会满足以上的要求。因此将原有的刀架换成自动回转刀架，刀架选用 LD4B-CK6140 型四工位立式电动刀架。刀架的自动换刀由相应的数控系统完成。3.5 进给系统的改造与设计方案（1） 拆除挂轮架所有齿轮，主轴保持不变。（2） 拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速箱总成。（3） 拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在床鞍的下面安装纵向滚珠丝杠的的螺母座与螺母座托架。（4） 拆除四方刀架与小滑板总成，在中滑板板上方安装四工位立式刀架。（5） 拆除

12、中滑板下的滑动丝杆螺母副，将滑动丝杆靠刻度盘一段锯断保留，拆第 6 页 掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。（6） 将横向进给步进电动机通过法兰安装到中滑板后部的床鞍上，并与滚珠丝杠的轴头相联。（7） 拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆） ，更换丝杆的右支承。（8） 改造完成的横向、纵向进给传动系统。第四节 进给传动部件的计算和选型纵、横向进给传动部件的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机等。4.1 脉冲当量的确定步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的轨型元件。对于每一个电脉冲，步进电机都将产生一个恒定的步

13、进角位移，每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角（ 脉冲） ，每脉冲代表电机一定的转角，这个转角经齿轮副和滚珠丝杠副使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行件的移距，称为脉冲当量或分辨率，选为脉冲。根据所给的设计任务要求，X 方向（横向）的脉冲当量为，Z 方向（纵向）为 。脉 冲/05.mx 脉 冲/01.mz4.2 切削力的计算（1）纵向切削力算如果工件的选用材料为碳素结构钢，则工件的许用应力 ；刀具MPa650所用的材料选用碳素工具钢，现选硬质合金 YT60，其中 T 代表碳素工具钢，Y代表硬质；刀具几何参数为：主偏角 ，前角 ，刃倾角 ；60rk10s切削用量为：背吃刀量 ，进给

14、量 ，切削速度mp3rmf/.。in/105mvc查表得： ， ， ， ；主偏角 的修2795FcC0.1FCx75.Fcy15.0FcnrK第 7 页 正系数 ；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为 。94.0cFKr 0.1由经验公式： ，算得主切削力 ;由经验公cFcFcnyxpCKVfNFc42673式： ，可求的纵向进给切削力 ,背向力.:351:pfc f9.5。NP6.109（2）横向切削力计算横向主切削力为纵向的一半，所以横向主切削力 NFcc7.1362由经验公式 ,求得横向进给切削力 ，背向力4.0:351:pfcFf85.4。NFp68.5344.3 滚珠丝杠螺母副

15、的计算和选型1.纵向：(1) 工作载荷 的计算mF已知移动部件总重量 ；主切削力 ，背向切削力NG1304.2673cF，纵向进给切削力 。根据 ， ，NP36.109f9.5czpyF的对应关系，可得： ， ， 。fx z4267Ny.10x69.5选用矩形-三角形组合滑动导轨，查机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-29 得到下面数据，取 ， ，代入 ,得工作载荷15.K.0)(GKFzxm.NFm172(2) 最大动载荷 的计算 QF由任务要求知 CA6140 车床最快的进给速度 ，当 Z 向在承受最in/8.0v大切削力时，根据经验选定丝杠基本的导程 ，在此条件下丝杠转速Ph6。mi

16、n/13/0rPvnh要使车床能达到它的使用年限要求，这里选滚珠丝杠的使用寿命 ，hT150代入 ,求得滚珠丝杠的使用寿命系数 。60/TL ）单 位 为 ： r(7.1960L查查机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-30，选用载荷系数 ，.Wf硬度系数 ，代入式 ，求得滚珠丝杠的最大动载荷1Hf mHWQFfL30。NFmWQ9730第 8 页 (3) 初选型号上面求得了滚珠丝杠最大动载荷，查查机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-33，选择 FL4006 型滚珠丝杠副。其公称直径（即大径）为 ，基本导m40程（导程指的是螺纹上任意一点沿同一条螺纹旋转一周所移动的轴向距离）为，双螺母滚

17、珠总圈数为 ，精度等级取 4 级，查表得它的额定动m6 圈圈 623载荷为 13200N，而算得的最大动载荷为 9703N 大于它的额定动载荷所以满足要求。(4) 传动效率 的计算将上面选取的丝杠直径和导程 ， ，代入md40Ph6，求得丝杠螺旋升角 。将摩擦角 ，代入)/(arctn0dPh 210，得传动效率 。%.9(5) 刚度的验算1） 纵向滚珠丝杠的安装，一端固定用一对面对面组装的推力角接触球轴承固定，另一端采用简单支架的方式支撑。算上丝杠总长和两端接杆的总长，则他们总体的中心距离约为 ；已知钢的弹性模量 ；查查ma1497 MPaE510.2机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-

18、33 得滚珠直径 ，算得丝mDW9683杠底径 公称直径 滚珠直径 。算的丝杠横截面积2d0dmDW0312.6S=1019.64mm。忽略式 中的第二项，算得丝杠在工作载荷 作IEMaSFm21 mF用下产生的 变形量 。压拉 / 0197.)/(2）根据公式 式中 d。为螺纹中径，求得单圈滚珠数目3/(0WdZ,而我所选取的丝杠为双螺母，因此滚珠总圈数为 ，求得滚珠总数9Z 623量 。这里要考虑滚珠丝杠的预紧，轴向预紧力与工作载荷存在关1746系 。则由式 ,求得滚珠与螺纹滚道NFmYJ53/322 10/10.ZFDYJWm间的接触变形量 。在设计时考虑了丝杠的预紧力，且为轴向负载m0

19、17.2的 ，所以实际变形量可减小一半，则此时 。/1 58.23）将上面求得的 和 代入 ，求得丝杠总变形量（对应跨度121总） 。查机电一体化系统设计课程设计指导书m4975.0.总表 3-27 可得 4 级精度滚珠丝杠任意 轴向行程内行程的变动量允许 ，30 m16而我所改造的滚珠丝杠的总变形量 为 ，小于所要求的最大变形量，总m.12第 9 页 因此选的这样的丝杠刚度满足要求。(6) 压杆稳定性校核临界载荷 的计算式为 可以用它来计算丝杠失稳时的临界kFmkFKaEIf2载荷 。查机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-34 其支承系数 ；由k 2kf丝杠底径 ，求得截面积惯性矩 ；压

20、杆稳定0312.62d 4215.8736/mdI安全系数 取 3（丝杠卧式水平安临界载荷 装） ；滚动螺母至轴向固定处的距KkF离 取最大值 。代入式 ，得临界载荷 ,远大am497mkKaEIf2NFk02于工作载荷 ，故丝杠不会失稳。)12(NF由上面的计算可知选用的滚珠丝杠副满足题目要求。4.4 同步带减速箱的设计为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，传动链中常采用减速传动。C6140 车床纵向减速箱选用同步带传动。选用同步带的优点如下：同步带通常以钢丝绳作负载心层，由于钢丝绳受载后变形极小，任然保持带长不变，故与带轮间不会产生相对滑动，传动

21、比恒定。同步带薄而轻，可用于高速场合，线速度可达到 40m/s，传动比可到到 10，传动效率可达到 98%。当然同步带也存在着制造和安装精度较高，中心距要求较严格的。设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传动的功率 ；主动轮转速 和传P1n动比 ；传动系统的位置和工作条件等。i通过网上查阅资料得到相关改造数据，C6140 车床纵向步进电动机的最大静转矩一般都在 之间选择。初选电动机型号为 130BYG5501,五相混合mN251式，最大静转矩 ，十拍驱动时步距角为 。072.0（1） 传动比的确定已知电动机的步距角 ，脉冲当量 ，滚珠丝.脉 冲/1.mz杠导程 ，代入式 算得传动比mh6P360

22、hPi 2.i第 10 页 （2） 主动轮最高转速 1n由纵向床鞍的最快移动速度 ，得出主动轮的最高转min/60maxvz速 。i/2360/)/(max1 rvnzz（3） 确定带的设计功率 dP预选的步进电动机在转速为 时，对应的步进脉冲频率为in/1。当脉冲频率Hzzf 10)72.60(32)60/(32max 为 时，电动机的输出转矩约为 ，对应的输出功率计算得到Hz10 mN8为 。取 ， ,WnTPOU 45.9/815.9/ kP48.2.1AK代入式 ，可以算得带的设计功率为 .KAd kWd574021（4） 选择带型和节距 bp根据带的设计功率 和主动轮最高转速 ，查k

23、Pd574.0min/1rn机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-14 选取同步带的型号为 L 型，它的节距 。mpb52.9（5） 确定小带轮齿数 和小带轮节圆直径1z1d由于齿轮主要为磨损失效，故小齿轮不宜选用过多的齿数，一般选1520。这里选用小齿轮的齿数 ，则小带轮节圆直径51。当 达到最高转速 时，同步带速度为mzpdb48.51nmin/20r，没有超过 L 型带的极限速度 。snv/6.2061 s/35（6） 确定大带轮齿数 和大带轮节圆直径2z2d大带轮齿数 ，节圆直径 。182i mi7.41（7） 初选中心距 、带的节线长度 、带的齿数0apL0bz初选中心距 ，圆整后取 。则带d6.)(.21a10的节线长度为 。查机电一体adLp 3.74)(0210 化系统设计课程设计指导书表 3-13 选取标准节线长度 Lp=381mm，相应齿数 。40bz（8） 计算实际中心距 a实际中心距 。mLp835.1200