C6140普通车床螺纹轴类零件专机改造Word格式文档下载.docx
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2.3.2纵向切削力的计算4
2.3.3滚珠丝杠设计4
2.3.4齿轮设计（在纵向上）5
2.4横向（Y向）进给机构的计算5
2.4.1横向切削力的计算5
2.4.2横向滚珠丝杠设计6
2.4.3齿轮设计（在横向上）7
2.5步进电动机的选择7
2.5.1步进电动机结构和分类7
2.5.2纵向步进电机的计算与选择7
2.5.3横向步进电机的计算与选择8
3经济型数控系统选型8
4电动刀架的选择8
5轴类零件工序及控制程序9
5.1机床改造参数的选择9
5.2轴类零件加工工艺11
5.2.1轴类零件的选择11
5.2.2轴类零件的加工12
5.3PLC在专机改造方面的应用16
结束语19
致谢19
参考文献20
绪论
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。
计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。
随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。
数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。
数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。
数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：
1.适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；
在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。
2.加工精度高；
3.生产效率高；
4.减轻劳动强度，改善劳动条件；
5.良好的经济效益；
6.有利于生产管理的现代化。
数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。
我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。
但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。
我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。
但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。
旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。
随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。
在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。
许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。
我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。
1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。
到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。
可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。
所以说，本课题具有典型性和实用性[4]。
1总体设计方案的确定
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，将其改造为单片机控制专机机床，无论是经济上还是技术都是确实可行了[2]。
一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的专机车床，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。
本设计主要是对C6140普通型车床进行专机改造，用步进电机对纵、横进给系统进行控制。
系统可采用开环控制和闭环控制，开环控制虽然有不稳定、振动等缺点，但其成本较低，经济性较好，车床本身所进行的加工尺寸是粗、半精加工。
所以实用开环控制。
驱动原件采用步进电动机。
系统传动主要有：
滑动丝杠螺母传动和滚珠丝杠螺母传动两种，经比较分析：
前者传动效率及精度较低，后者精度和效率高，但成本高，考虑对车床的性能要求，故采用滚珠丝杠螺母传动。
刀架性能要求是准确快速的换刀，因此采用自动转位刀架。
2机械部分的设计改造
2.1主传动系统的选择
主传动系统不变。
为保证车螺纹时严格的运动关系，在主轴箱上安GD7072光电脉冲发生器，通过主轴--脉冲发生器--数控系统--步进电机的信息转换系统，实现主轴转一周，刀架纵向进给一个螺纹导程的车螺纹运动。
2.2进给传动系统的设计改造
2.2.1纵向进给机构的设计改造
掉原机床的进给箱和拖板箱，利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔，安装伺服电机和一对齿轮的箱体。
滚珠丝杆仍安置在原丝杠的位置。
采用一级齿轮减速（见图1）
图1纵向进给机构改造图
2.2.2横向进给机构的设计改造
保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，步进电动机、齿轮箱安装在中滑板的后侧.横向滚珠丝杠也采用一端固定，一端浮动，三点支承的形式，也通过双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，如图2所示。
图2横向进给机构改造图
2.2.3刀架的选择改造
拆除原手动刀架和小拖板，安装由微机控制的四工位电动刀架。
根据车床的型号及主轴中心高度，选用lJ）4一I型四工位电动刀架。
安装时，去掉车床小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉电机风罩，逆时针方向转动电机，或转动轴承盖处之内六角螺孔，使刀架转动到45。
左右时，装上螺钉，然后固定刀架即可。
电动刀架的安装较为方便，安装时须注意以下两点：
①电动刀架的两侧面与原车床纵、横向的进给方向平行。
②电动刀架与系统的连线在安装时应合理，以免加工时切屑、冷却液及其它杂物磕碰电动刀架连线
2.3纵向（Ｘ向）进给机构的计算
2.3.1工作台质量的估算
工作台总质量：
m=a+b+c=133.6kg
式中a——床鞍质量，a=86kg；
b——中拖板质量，b=21.6kg；
c——改造后的刀排架质量，c=26kg。
2.3.2纵向切削力的计算
切削功率：
Pc=P×
η×
K1=4680N2-1
式中P——主电机功率，P=7.5kW；
η——主传动系统总效率，η=0.65；
K1——进给系统功率系数，K=0.96。
Pc=Fz×
V2-2
式中Fz——主切削力，N；
V——切削线速度，V=1.667m/s。
由式2-1，式2-2可得
Fz=Pc/V=2807N
通常纵向切削分力：
Fx=（0.1～0.6）Fz=0.5Fz=1403.5N
2.3.3滚珠丝杠设计
车床丝杠的纵向轴向力：
Fz×
h=K2Fx+μ（Fz+W）=2313.8N2-3
式中K2——颠覆力矩影响的实验系数，K2=1.15；
μ——导轨上的摩擦系数，μ=0.17；
W——工作台作用在导轨上的重力，W=mgn=1309N；
（m为工作台的质量，m=133.6kg；
gn为重力加速度，gn=9.8m/s2）。
A强度计算
滚珠丝杠的转速：
NT=1000v′×
f/π×
D×
t=32r/min2-4
式中v′——切削线速度，v′=100m/min；
f——进给量，f=0.3mm；
D——工件直径，D=50mm；
t——滚珠丝杠螺距，t=6mm。
取寿命时间T=15000h，则寿命值：
A=60ntT/106=29。
取运转系数Kt=1.2，硬度系数Kh=1，则最大负载
Q=A1/3Kw×
Kh×
h=8530N2-5
选取滚珠丝杠的公称直径为35mm，型号为ND3506—1×
2/E左，即双螺母垫片调隙式，内循环，一圈二列，滚珠直径为3.969mm，螺距为6mm，其额定动负荷是121847kN>
Q=8.530kN，故强度足够[8]。
B效率计算
由于所选滚珠丝杠的螺旋升角α=3°
7′，摩擦角φ=10′，则滚珠丝杠的传动效率
η′=tana/tan（a+φ）=0.952-6
2.3.4齿轮设计（在纵向上）
步距角θb=0.75°
/1.5°
，滚珠丝杠螺距P=6mm，脉冲当量δp=0.01mm/步，则在步进电机与滚珠丝杠之间所加的一对齿轮传动比为：
i=Z1/Z2=360δp/θb×
P=360×
0.01/0.75×
6=0.8
即选Z1=48，Z2=60，根据经验，齿轮模数取1.5。
2.4横向（Y向）进给机构的计算
2.4.1横向切削力的计算
K1=4680N
式中P——主电机功率，P=7.5kW；
η——主传动系统总效率，η=0.65；
K1——进给系统功率系数，K1=0.96。
Pc=Fz×
V
V——切削线速度，V=1.667m/s。
由式2-1，式2-2可得
Fz=Pc/V=2807N
通常横向切削分力：
Fy=（0.15～0.7）Fz=0.6Fz=1684N
2.4.2横向滚珠丝杠设计
车床丝杠的横向轴向力：
Fzh=K2×
Fy+μ（Fz+W）=2445.4N
（m为工作台的质量，m=133.6kg；
gn为重力加速度，gn=9.8m/s2）。
NT=1000v′×
f/π×
t=32r/min
f——进给量，f=0.3mm；
D——工件直径，D=50mm；
t——滚珠丝杠螺距，t=6mm。
取寿命时间T=15000h，则寿命值：
A=60ntT/106=29。
取运转系数Kw=1.2，硬度系数Kh=1，则最大负载：
h=8530N
选取滚珠丝杠的公称直径为35mm，型号为ND3506—1×
2/E左，即双螺母垫片调隙式，内循环，一圈二列，滚珠直径为3.969mm，螺距为6mm，其额定动负荷是121847kN>
Q=8.530kN，故强度足够。
B效率计算
由于所选滚珠丝杠的螺旋升角α=3°
7′，摩擦角φ=10′，则滚珠丝杠的传动效率：
η′=tana/tan（a+φ）=0.95
2.4.3齿轮设计（在横向上）
，滚珠丝杠螺距P=6mm，脉冲当量δp=0.01mm/步，则在步进电机与滚珠丝杠之间所加的一对齿轮传动比为：
2.5步进电动机的选择
2.5.1步进电动机结构和分类
步进电动机的种类很多，按其工作方式的不同可分为功率式和伺服式两种。
功率式步进电动机的输出转矩较大，能直接带动较大的负载。
伺服式步进电动机出转矩较小，只能直接带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。
按运动方式可分为旋转运动、直线运动和平面运动等几种；
按工作原理可分为反应式（磁阻式）、永磁式和永磁感应式等几种。
在永磁式步进电动机中，它的转子是用永久磁钢制成的，也有通过滑环由直流电源供电的励磁绕组制成的转子，在这类步进电动机中，转子中产生励磁；
在反应式步进电动机，其转子由软磁材料制成齿状，转子的齿也称为显极，在这种步进电动机的转子中没有励磁绕组。
它们产生电磁转矩的原理虽然不同，但其动作过程基本上是相同的，反应式步进电动机有力矩惯性比高、步进频率高、频率响应快、可双向旋转、结构简单和寿命长等特点。
在计算机应用系统中大量使用的是反应式步进电动机[1]。
2.5.2纵向步进电机的计算与选择
A确定步距角
取系统的脉冲当量δf=0.01mm/脉冲，选用步距角θb=0.75。
B起动力矩的计算
设步进电机等效负载力矩为M，负载力为Ff，根据能量守恒原理，电机所作的功与负载所作的功的关系：
M×
φ′×
η′=Ff×
L2-7
则M=Ff×
L/φ×
η=169N·
cm
式中φ′——电机转角，φ′=θb=0.75°
；
L——移动部件的相对位移，L=δp=0.01mm/脉冲；
Ff——负载力。
Ff=Fs+μ（W+Fz）
纵向丝杠牵引力
Fs=Fx+1.414μd×
W=1422N
式中μd——当量摩擦系数，μd=0.01
若不考虑起动时的运动部件惯性的影响，则起动力矩Mq=M/0.3-0.5，取安全系数为0.3，则Mq=563N·
cm，对于工作方式为5相10拍的步进电机：
Mmax=Mq/0.707=796N·
C步进电机的最高频率
取Vmax=1m/s，则
fmax=1000Vmax/60δF=1000×
1/60×
0.01=1666Hz
根据以上数据，选用150BF003型步进电机较合理。
该电机步距角为0.75/1.5°
，最大静转矩为2000N·
cm，最高空载起动频率为2800Hz。
2.5.3横向步进电机的计算与选择
同理，横向步进电机选用130BF001型，计算从略
3经济型数控系统选型
C6140普通车床轴类零件专机改造主要是降低成本，降低成本可以从加工速度和简化操作步骤等方面来实现。
数控车床不仅解决用常规方法无法或难以加工的复杂零件加工，而且为多品种、中小批量生产的柔性加工自动化开创一条新的途径。
只要输入不同的程序，就能在同一台数控车床上自动加工多种不同的零件。
经济型数控车床最大特点是“经济”，操作简单，易维护，一台全自动车床需要几十万元.一个加工中心要耗资上百万，甚至几百万元，经济型数控车床造价相对低廉，约2万元，很适合我国国情[15]。
4电动刀架的选择
电动回转刀架采用陕西机械研究院产品，能自动选择4把刀号进行各工序连续加工。
刀架电机采用西安微电机研究所的9OYEJ一4R电动机。
车床改造后的传动如图3所示
1.电动回转刀架2.刀架电动机3.X向消隙齿轮箱4.X向步进电机5.X向丝杠螺母6.Z向丝杠支架7.Z向步进电动机8.Z向消隙齿轮箱9.X向滚珠丝杠10.Z向丝杠螺母11.Z向滚珠丝杠12.主轴电动机13.磁电式脉冲编码器14.编码器传动齿轮
图3C6140车床改装后的传动示意图
5轴类零件工序及控制程序
5.1机床改造参数的选择
我们选用JN—POT型机床数控系统，该系统采用（Lc-f）国际标准数控代码编程。
能自动完成车削端面，内外圆柱面、倒角、任意锥面、球面、圆弧逼近的任意曲面及公英制单、多头圆柱、圆锥螺纹加工，并配有完备的s、M、T功能，系统采用模块化设计，内部设有计算机、电源、接口、驱动四种模块，具有体积
小、重量轻、功耗低、功能多、速度高、操作维修方便等特点[14]。
该系统由数控单元、伺服驱动单元、减速器和步进电动机组成，其工作原理如图4所示。
图4数控系统工作原理图
该系统I／O口主要有：
（1）X向电机接口：
采用XS14型7芯插座，用来控制x向步进电机的运动。
（2）z向电机接口：
采用XS16型7芯插座，用来控制z向步进电机的运动。
（3）螺纹功能接口：
采用XS62型7芯插座。
用来接收主轴脉冲发生器的A脉冲、C脉冲。
（4）电源输入输出接口：
采用XS31型5芯插座，为控制系统提供220V，50Hz的交流电源。
（5）T功能接口：
采用XS61型25芯插座，用于刀架控制。
（6）S、M功能接口：
采用XS60型37芯插座，用于主轴控制。
（7）其它功能接口：
采用XS63型16芯插座，用于超程信号输入、回零信号输入等。
数控系统软件部分的设计
软件系统具有下列功能：
（1）控制车床刀具或工作台轴向、径向移动的方向、速度和长度。
（2）可控制加工面、内外圆以及向锥面、球面逼近的任意曲面。
（3）控制走刀速度，为多档，并可随时进行修正。
（4）过程中可以给出一定的延时&
在执行到延时，序时刀架在预定时间内停止运动。
（5）有暂停功能。
5.2轴类零件加工工艺
5.2.1轴类零件的选择
选用如图5所示的轴类零件
图5螺纹轴类零件图
（1）合理选材
①轴类零件的毛坯，可根据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件等毛坯形状。
对于外圆直径相差不大的轴，一般以棒料为主，而对于外圆直径相差大阶梯轴或重要的轴，常选用锻件。
这样既节约材料又减少机械加工的工作量，还可改善机械性能。
根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。
中小批量生产多采用自由锻，大批大量生产量时采用模锻。
②轴类零件的材料:
应根据不同的工作条件和作用要求选用不同的材料，并采用不同的热处理规范（如调质、正火、淬火等），以获得一定的强度、韧性和耐磨性。
45号钢是轴类零件的常用材料，它的价格便宜经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达45HRC～52HRC。
40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。
轴承钢GCr15和弹簧钢15Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达50HRC～58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造高精度的轴。
精密机床的主轴（例如:
磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化钢。
这种钢经调质和表面氮化以后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击、韧性好，与渗碳淬火钢相比较，它有热处理变形很小、硬度更高的特性。
（2）主要技术要求
①尺寸精度
轴颈是轴类零件的主要表面，它影响着轴的回转精度及工作状态。
轴颈的直径精度根据其使用要求，通常为IT6～IT9。
精密轴颈可达IT5。
②几何形状精度
轴颈的几何形状精度（圆度、圆柱度），一般应限制在直径公差点范围内对几何形状精度要求较高时，可在零件图上另行规定其允许的公差。
③位置精度
主要是指装配传动件的配合轴颈相对于装配轴承的支撑轴颈的同轴度，通常是用配合轴颈对支承的径向圆跳动来表示的;
根据使用要求，规定高精度轴必须严格抓位置精度。
5.2.2轴类零件的加工
（1）选用车刀
T01采用45度硬质合金车刀；
T02采用60度外螺纹车刀。
PlC先控制车刀到指定的位置
表-1加工过程表
1
车端面
T01
T01车φ50端面
2
车螺纹
T02
T02车φ50螺纹
3
车外圆
T01车φ50外圆
4
车凸台
T01车φ70外圆
5
T01车φ60外圆
5.2.3粗精车零件刀具的轨迹设计
A粗车轨迹设计
图6零件粗车刀具轨迹图
B精车轨迹设计
图7零件精车刀具轨迹图
C螺纹轨迹设计
图8零件螺纹加工轨迹图
（2）解决加工误差补偿问题
在普通车床数控改造中，如何有效地提高加工精度，是工程技术人员一直致力研究的重要课题。
解决的途径可以从硬件上着手，也可以从软件上着手。
利用软件技术，对车削加工的误差进行修正，对普通车床数控改造来说是一个既经济、又简单可行的方法。
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