普通车床的数控改造加工直径为400mm的CA6140普通车床改造成数控车.docx

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普通车床的数控改造加工直径为400mm的CA6140普通车床改造成数控车

毕业论文（设计）

题目普通车床的数控改造

指导教师

学生姓名

学号20101266

专业机电一体化

教学单位济南大学

二0一三年四月十六日

参考文献…………………………………………………………………………22

普通车床的数控改造

——加工直径为400mm的CA6140普通车床改造成数控车

随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。

数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。

它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。

目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。

数控机床是数字控制机床（Computernumericalcontrolmachinetools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。

该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。

关键词：

车床80C51单片机数控系统

前言

机械制造业是国民经济中具有十分重要的地位和作用的一个重要行业。

机械制造业提供的装备水平对国民经济各部门的技术进步有着很大的和直接的影响。

机械制造业的规模的水平是反映国民经济实力和科学技术水平的重要标志。

因此，世界各地都把发展机械制造业作为振兴和发展本国经济的战略重点。

20世纪80年代后期，由于微电子技术、控制技术、传感器技术、机电一体化技术的迅速发展，特别是计算机的广泛应用，不仅给机械制造领域带来了许多新工艺、新技术、新观念，而且使机械制造技术产生了质的飞跃，走上了一个新的台阶。

我国是制造业大国，但不是强国。

虽然机械制造业取得了很大的成绩，但与国家经济发展需要和世界先进水平相比还是存在着较大的差距，必须迎头赶上。

机械制造生产能力和制造水平，主要取决于机械制造装备的先进程度。

机械制造装备的核心为金属加工机床。

一个国家的机床工业水平在很大程度上代表着这个国家的工业生产能力和技术水平。

改革开放后，我国的机械制造装备业获得迅速发展，目前我国已能生产出多种精密、自动化、高效率的机床及自动生产线，例如已能生产100多种数控机床和加工中心等，并达到一定的技术水平，但与世界先进水平相比还有很大的差距，并且在我国企业中，大多真正投入生产中的还是普通机床。

随着计算机技术的飞速发展,机床的数控化已经成为现实。

以数控机床为代表的现代基础机械是制造业实现生产现代化的重要设备,数控技术的水平高低和机床的数控化率是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。

我国是一个发展中国家,无论从数控技术水平和机床的数控化率都落后于先进的西方发达国家,特别是从上个世纪后期,国家采取了积极的财政政策和扩大内需的方针后,作为现代基础机械的数控机床就满足不了工厂逐年增加的生产需求。

根据我国机床拥有量大、生产规模小的具体国情,采用经济型数控系统对普通机床进行数控化改造,对提高我国机械加工的数控化率,提升拥有大量普通机床的国有企业的加工能力,具有重要的意义。

下面便以CA6140型车床为例，利用经济型数控系统对其进行数控化改造。

第一章CA6140卧式车床简介

1．机床的特点与用途

CA6140型卧式车床，其结构具有典型的卧式车床布局，它的通用性程度较高。

加工范围较广，适合于中小型的各种轴类和盘套类零件的加工；能车削内外圆柱面、圆锥面、各种环槽、成形面及端面；能车削常用的米制、英制、模数制及径节制四种标准螺纹，也可以车削加大螺距螺纹、非标准螺距及较精密的螺纹；还可以进行钻孔、扩孔、铰孔、滚花和压光等工作。

2.机床的主要结构

CA6140型普通车床的主要组成部件有：

主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。

图1CA6140车床的外形结构图

1、11．床腿2.进给箱3.主轴箱4.床鞍5.中滑板6.刀架

7．回转盘8.小滑板9.尾座10.床身12.光杠13.丝杠14.溜板箱

主轴箱：

又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分动力将运动传给进给箱。

进给箱：

进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。

丝杠与光杠：

用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜板箱获得纵向直线运动。

丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进行工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。

溜板箱：

是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。

第二章、进给系统机械部分设计计算：

电动机的选型与计算

1、计算作用在电动机轴上的负载惯量

（1）计算滚珠丝杠的转动惯量。

已知滚珠丝杠的密度为

（2）计算作用在丝杠轴上移动部件的转动惯量

已知机床纵向进给系统执行部件的总质量m=81.63kg；丝杠轴每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=0.6cm，则得

（3）计算各齿轮的转动惯量。

（4）由式（2-66）计算加在电动机轴上总负载转动惯量。

2、计算电动机轴上的负载力矩

（1）计算电动机轴上的切削负载力矩。

已知在切削状态下的轴向负载力。

丝杠每转一圈机床执行部件轴向移动距离L=6mm=0.006m，进给传动系统的传动比i=2.5，进给传动系统的总效率=0.85，则由式（2-54）得

（2）计算电动机轴上的摩擦负载力矩。

已知在不切削的状态下的轴向负载力=360N，则由式（2-55）得

=

（3）计算由滚珠丝杠预紧力作用在电动机轴上的附加负载力矩.

已知滚珠丝杠螺母副的效率，滚珠丝杠螺母副的预紧力为

则

（4）计算到电动机轴上的负载力矩T的计算。

①空载时（快进力矩），得

②切削时（工进力矩），得

3、计算电动机轴上的加速力矩

根据以上计算结果，初选110BF003型反应式步进电动机，其转动惯量=；而进给传动系统的负载惯量=2.5；对开环系统，一般侵权去加速时间。

当机床执行部件一最快速度v=2400mm/min运动时电动机的最高转速为

得

4、计算纵向进给系统所需的作用到电动机轴上的各种力矩

（1）计算空载启动力矩

（2）计算快进力矩

（3）计算工进力矩。

5、选择驱动电动机的型号；

（1）选择驱动电动机的型号。

根据以上计算和表A-5,选择国产110BF003型反应式步进电机为驱动电动机,其要技术参数如下：

相数,3；步距角,；最大静转矩,7.84N·m；转动惯量,4kg·；最高空载启动频率,1500Hz；运行频率,7000Hz；分配方式,三相六拍；质量,6kg。

（2）确定最大静转矩

由表2-48给出的机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电动机的最大静转矩的关系可得

机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电动机的最大静转矩的关系为

取和中的较大者为所需的步进电动机的最大静转矩,既=4.16N·m

本电动机的最大静转矩为9.31N·m,大于=4.16N·m,可以在规定懂得时间里正常启动,故满足要求。

6.进给伺服系统传动计算

1纵向进给运动的负载分析

步进电机的负载有外力负载（切削力）、摩擦负载和惯性负载，所选步进电机必须克服这些负载才能作正常的进给驱动。

（1）切削负载。

假设采用的切削用量范围：

v＝1.75m／s；ap＝5mm；f＝0.3mm/r，则其主切削力（可根据切削原理近似公式计算）Fz＝3000N（垂直向），取Fx＝0.6Fz＝1800N（纵向），Fy＝0.5Fz＝1500N（横向）（根据机床设计手册在一般车外因时只，Fx＝（0.1～0.6）Fz，F、＝（0.15～0.7）Fz。

设计时，也可根据主电机的功率来计算能承受的最大主切削力Fzmax。

但这样计算，Fzmax往往很大，因原机床主电机功率是按最大原则选取的。

还可根据机床的限用最大切削用量进行计算。

（2）摩擦阻力。

当溜板箱导轨为滑动摩擦时，取其摩擦系数＝0.1，因主切削力压向导轨，则摩擦阻力F摩＝（400×l0十3000）×0.1＝750N（g＝908m／s2时）。

（3）等效转动调量计算。

根据理论力学公式计算进给系统中各回转零部件的转动损量。

设减速比为i，则

i＝·l0/360·δ=0.65×6/360×0.01=1.15

故可取Z1＝21、Z2＝23;m＝1.4（模数），b＝21（mm）＝3cm）（齿宽），＝21。

；df1＝mZ1=31（mm），df2＝mZ2＝36.5（mm），de1＝df1十26＝33.5（mm），de2＝df2十2h＝41.5（mm）。

则齿轮的转动惯量分别为（齿轮为45号钢，并将齿轮近似看作圆柱体）

JZ1＝7.8d4e1×b×10-4=7.8×3.34×2×10-4=0.185（Kgcm2）=1.85×10-5（Kgm2）

JZ2＝7.8d4e2×b×10-4=7.8×4.054×2×10-4=4.2×10-5（Kgm2）

若根据类比法，选用CMFZD40×6—3.5—C3／1200丝杠其长度为1.2m（钢材），直径d0＝40mm，则丝杠的转动惯量近似为

JZ＝7.8×44×120×10-4＝23.96（Kgcm2）＝2.4×10-3（Kgm2）

设电机转子的转动惯量为4.6×10-4（Kgm2）（当等效到电机轴上的负载转动惯量大于电机转子转动调量一个数量级时，可以忽略，但当等效到电机轴上的负载惯量较小时，就不能轻易地忽略它。

现预选电机为110BF003，其电机转子轴的转动惯量为4.6×10-4（Kgm2）*

由式（6—4）可知

[J]k=1/42i（Vi/nk）2+j（nj/nk）2

式中Vi采用最不利于机床起动时速度，这里选用快进给速度V溜＝2m／min；

则nk=nm（电机）＝V溜／（360×δ）＝4l6.67（r／min）；Mi＝400Kg（全部直线运动部件的总质量）；nz1＝nm；nz2＝nz1/i＝333.34（r／min）。

则[J]m＝1/42×400×（2／416.67）2十Jz1十Jm十（Jz2十Js）／i2

＝2.34×l0-4十4.6×10-4十1.85×10-5十（4.2×10-5十2.4×10-3）／1.252

＝2.28×l0-3（Kgm2）

（4）丝杠摩擦阻力矩（Tsm）的计算。

由于丝杠承受袖向载荷，又由于采取了一定的预紧措施，故滚珠丝杠会产生摩擦阻力矩。

但由于滚珠丝杠的效率高，其摩擦阻力矩相对于其它负载力矩小得多，故一般不予考虑。

（5）等效负载转矩[T]m。

由式（6—8）得

[T]m＝（F摩十Fx）×V溜／nm十0

＝（1800十750）×2／416.67＝1.93（Nm）

（6）启动惯性阻力矩（T惯）的计算。

以最不利于启动的快进速度计算时，设启动加速（或制动减速时间为＝0.3s（一般在0.1～1s之间选取），由于电机转速m＝nm/60＝×416.67／60＝43.63[1／s]，取加速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为

m＝m/＝43.63／0.3＝145.4（1/s2）

则T惯＝[J]mm＝2.28×10-3×145.4＝0.332（Nm）

（7）计算步进电机输出轴上总负载转矩

T∑＝[J]