C620普通车床进行数控改造毕业论文.docx

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C620普通车床进行数控改造毕业论文

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摘要

随着市场竞争日益复杂激烈，普通机床已经难以满足企业的新产品开发对成本、效率以及质量等方面的要求。

本文主要对普通车床的数控改造过程进行了介绍，同时以C620普通车床作为例子，在对传统的缺点研究基础上提出了针对性的的改造方案，特别是机床设计的机械转换与电气控制。

其对数控机床CPU的合理利用以及对齿轮转动利用滚珠丝杆的设计等，提高数控化程度，实现进给运动的横纵兼具。

对普通车床C620的数控方案和单片机系统改造将大大提升其性能，拓宽其适用范围并降低工作者的劳动强度。

关键词:

数字控制单片步进电机滚珠丝杆

第一章总体方案的设计5

1.1设计任务5

1.2总体方案的论证5

1.2.1机械部分的改造设计5

1.2.2伺服进给系统的改造设计5

1.2.3数控系统的硬件电路设计6

1.3总体方案的确定6

第二章机械部分的改造设计7

2.1纵向进给系统的改造设计7

2.1.1纵向滚珠丝杠副的选用7

2.2.1.1确定系统的脉冲当量7

2.1.1.2车削力的计算7

2.1.1.3滚珠丝杠副的设计、计算和选用7

2.1.2纵向步进电机的选用9

2.1.2.1脉冲量的计算9

2.1.2.2等效负载转矩的计算10

2.1.2.3等效转动惯量的计算10

2.1.2.4步进电机型号的选择10

2.2横向进给系统得改造设计12

2.2.1横向滚珠丝杠副的选用12

2.2.1.1确定系统的脉冲当量12

2.2.1.2车削力的计算12

2.2.1.3滚珠丝杠副的设计、计算和选用13

2.2.2横向步进电机的选用15

2.2.2.1脉冲量的计算15

2.2.2.2等效负载转矩的计算15

2.2.2.3等效转动惯量的计算15

2.2.2.4步进电机型号的选择16

2.3齿轮传动间隙的调整17

第一章总体方案的设计

1.1设计任务

本次设计任务主要为对普通车床C620进行触控化程度的提高。

包括对伺服进给系统、数控系统的硬件电路等的优化设计。

1.2总体方案的论证  

在满足总体设计要求进行数控化改造的前提下，尽量节约资金成本，提高普通车床使用性能与效率。

1.2.1机械部分的改造设计  

普通车床往往在经历多次大修之后会出现零部件之间连接尺寸加大的问题，其精确度与分辨率机等仍然难以保障，数控机床改造则是以提高机床运行稳定性、提升精密程度为目的的，故而在此过程中为降低摩擦系数与提高传动刚度，考虑步进电机以及滚珠丝杠用哪种最为合理十分重要。

车床传动系统改进后其布局合理，摩擦阻力降低，运动进度提高，具体如图1-1所示：

图1-1改进后的车床传动系统：

1.2.2伺服进给系统的改造设计

设计高性能的伺服进给系统是数控机床改造过程中的重要环节与关键技术，考虑本此设计为经济性数控改造，且开环设计的结构简单，工作精度较强，有较好的负载能力，故而选用开环伺服方式。

1.2.3数控系统的硬件电路设计

CPU在数控系统中起到关键作用，因此在NC装置在设计的过程中不得不重视CPU技术，所需考虑的因素包括以下三个方面：

1.高速高精算法与物体的移动速度紧密切合；

2.应用软件的升级，包括储存容量的拓展应考虑数控功能的强弱；

3.指令系统及I/O扩展能力与单片机外部储存之间有着十分密切的相关性。

1.3总体方案的确定  

在总体方案设计完成后，普通车床C620的经济模型的确定成为工作重点。

首先是关于主轴变速箱，为降低费用，只针对手工变速作以修改，输入相应的程序，使之服从相应的指令；其次是对滑动丝杠的改变，原机的普通滑动丝杠是很难满足企业现代化生产要求的，将其改为滚珠丝杠，这将大大减少摩擦，提高运行效率，同时驱动步进电机的使用也将推车床横向与纵向双向运动的实现。

第二章机械部分的改造设计

2.1纵向进给系统的改造设计

2.1.1纵向滚珠丝杠副的选用

滚珠螺旋传动，顾名思义，是指对滚珠进行利用使得在运动过程螺纹能够产生滚动摩擦。

滚珠丝杆传动的与众不同主要体现在以下三个方面：

1.滚动动作向滑动动作转变，传转运动为直线式而非旋转式，故而其摩擦系数较低，提高了传动效率；

2.由于有着较低的发热，故而其寿命普遍较长，且结构相对简单，便于维修；

3.在垂直传输上有较大的缺陷，需要用到自锁或者制动装置。

在数控机床，脉冲的轴线位移称为脉冲当量，也被称为最小单元。

该设计中心C620脉冲当量为：

纵向/脉冲脉冲当量0.01毫米，脉冲当量横向0.005毫米/脉冲。

2.1.1.1确定系统的脉冲当量

纵向为0.005毫米/脉冲

2.1.1.2车削力的计算

数控机床设计过程中对车削力的考虑不可或缺，结合各种影响因素，笔者将采用经验公式对切削力进行计算，具体如下：

车床的主切削力可用下式计算：

车床刀架的最大直径是毫米。

故：

按以下比例分别求出分力和，

则：

，

2.1.1.3滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型

最初滚珠丝杠螺母副采用的是机构类型的设计——预紧方式循环。

确定该循环类型后，家下来进行参数的选取确定以及详细计算。

参数主要包括：

、、、、精度等级等。

（1）对进给率牵引力的计算

涉及到滚柱丝杠子在运动过程中给进速度的牵引力，零部件的阻力、转移重量以及摩擦等都应给予考虑。

计算公式如下：

纵向进给导轨为三角形，则：

三角形导轨选取参数：

（2）计算最大动负荷

使用滚珠螺杆对的直径，必须的作用下必须具有的轴向载荷，螺杆后反向百万转，在不会发生其滚动路径点蚀。

计算：

丝杠转速其中=

寿命（）

最大动负荷

（3）计算最大静负荷

在滚珠丝杠副的状态为静止或者低速（）状态下，其容易造成的损伤主要是滚珠轴承接触表面变形的时候可能产生的塑性变形程度过大所带来的损害，关于塑料变形的球的要求一般是不超过滚珠轴承接触表面变形1/10000。

在静态安全系数=2的时候，滚珠丝杠的最大静载荷是：

（——产生塑性变形的荷载过大时最大允许的静荷载）

（5）传动效率计算

滚珠丝杠螺母副传动率为

参数如下表2-1所示：

表2-1滚珠丝杠副参数

型号

公称直径

基本导程

螺旋升角

丝杠外径

丝杠内径

额定动载荷

丝杠长度

额定静载荷

4006-3.5

（6）刚度校核

该工作主要检查滚珠丝杠在工作载荷和扭矩下，每一个引线的变形与丝杠的要求是否相一致。

每导程变形量可按以下公式计算

选取

其中：

则：

查表时，选择螺杆的精度等级，允许误差满足要求。

（7）稳定性校核

不容忽视的稳定性安全系数印在允许的范围之内，只有这样，滚珠丝杠才是处于一个安全的状态。

其中是指稳定性安全系数（通常取值范围在2.5～4）。

　——丝杠失稳时的临界负载，由：

式中　——丝杠长度

　　　——丝杠轴端系数，由支承条件定。

　　　——截面惯性矩，对实心圆

对于铅螺丝的水平，考虑的影响的重量的理想（）4。

丝杠不会失稳。

2.1.2纵向步进电机的选用

2.1.2.1脉冲量的选择

电动机的步距角在三相步进运动模式中的步距角为，而在三相六拍运动过程中所选用的步距角为。

转脉冲数：

当脉冲当量：

由此产生的中间齿轮传动比i是：

2.1.2.2等效负载转矩计算

1.空载时的摩擦转矩

2.车削加工时的负载转矩

2.1.2.3等效转动惯量的计算

1.滚珠丝杠的转动惯量

2.拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量

3.大齿轮的转动惯量

采用的是大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。

4.小齿轮的转动惯量

换算到电动机轴上的

2.1.2.4步进电动机型号的选择

笔者选用的主要类型110bf003步进电机，其步距角为，最大静转矩，转子惯量，可：

由验算结果可知电动机合格。

步进电机的外观图如下图2-1所示，步进电机的矩频特征的局部如下图2-2所示。

步进电机的矩频特征的局部图2-2：

2.2横向进给系统的改造设计

2.2.1横向进给系统滚珠丝杠螺母副的选用

横向进给方向与纵向进给方向的设计过程是一致的。

2.2.1.1确定系统的脉冲当量

横向为0.005毫米/脉冲

2.2.1.2车削力的计算

车床的主切削力可用下式计算：

车床刀架的最大直径是毫米。

因C620床本身加工的最大是210mm，由此：

按以下比例分别求出分力和，

则:

，

2.2.1.3滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选用

滚珠丝杠副的设计类型：

确定滚子循环法。

在确定了滚珠丝杠副的设计类型后，则需要进行相关参数的选择以及参数的计算。

所选用的参数包括：

、、、、精度等级等。

（1）计算进给率牵引力

涉及到滚柱丝杠子在运动过程中给进速度的牵引力，零部件（如切削刀）的阻力、转移重量以及摩擦等都应给予考虑。

因此，数值与导轨的形式有关。

计算公式如下：

横向进给导轨为燕尾形，则：

燕尾形导轨选取参数：

（2）计算最大动负荷

滚珠丝杠的最大动载荷计算如下：

丝杠转速其中=

寿命（）

最大动负荷

（3）计算最大静负荷

在滚珠丝杠的状态为静止或者低速（）状态下，其失效模式与容易造成的损伤主要是滚珠轴承接触表面变形的时候可能产生的塑性变形程度过大所带来的损害，关于塑料变形的球的要求一般是不超过滚珠轴承接触表面变形1/10000。

（此时静态安全系数=2）

（4）选择滚珠丝杠

滚珠丝杠副参数如下表2-2所示：

表2-2滚珠丝杠副参数

型号

公称直径

基本导程

螺旋升角

丝杠外径

丝杠内径

额定动载荷

丝杠长度

额定静载荷

2005-2.5

（5）传动效率计算

滚珠丝杠螺母副传动效率

（6）刚度校核

该工作主要检查滚珠丝杠在工作载荷和扭矩下，每一个引线的变形与丝杠的要求是否相一致。

每导程变形量为：

选取

其中：

则

检查说明书，选择分级螺杆的精度允许误差来满足要求。

（7）稳定性校核

不容忽视的稳定性安全系数印在允许的范围之内，只有这样，滚珠丝杠才是处于一个安全的状态。

其中中代表稳定性安全系数。

——丝杠失稳时的临界负载，由：

式中——丝杠长度

——丝杠轴端系数，由支承条件定。

——截面惯性矩，对实心圆

对于铅螺丝的水平，考虑的影响的重量的理想（）4。

丝杠不会失稳。

2.2.2横向步进电机的选用

2.2.2.1脉冲量的选择

电动机的步距角在三相步进运动模式中的步距角为，而在三相六拍运动过程中所选用的步距角为。

转脉冲数：

主脉冲当量：

由此产生的中间齿轮传动比：

2.2.2.2等效负载转矩计算

1.空载时的摩擦转矩

2.车削加工时的负载转矩

2.2.2.3等效转动惯量的计算

1.滚动丝杠的转动惯量

2.拖板运动惯量应用到电动机轴上的转动惯量

3.大齿轮的转动惯量

采用大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。

4.小齿轮的转动惯量

换算为

2.2.2.4步进电动机型号的选择

笔者选取90bf002步进电机，其步距角为。

最大静转矩，转子惯量，可：