数控机床的改装Word下载.docx

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2.1总体方案确定8

2.2设计方案9

2.2.1系统运动方式的确定9

2.2.2伺服系统的选择9

2.2.3执行机构传动方式的确定9

2.3绘制总体方案框图10

第三章设计内容（计算）10

3.1机床横向进给伺服系统机械部分设计计算及校核10

3.1.1主切削力及其切削分力的计算10

3.1.2导轨摩擦力的计算11

3.1.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力12

3.1.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算12

3.2脉冲当量的确定14

3.3滚珠丝杠螺母副的承载能力校验15

3.3.1滚珠丝杠螺母副临街压缩载荷的校验15

3.3.2滚珠丝杠螺母副临界转速的校验15

3.3.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验16

3.4计算机械传动系统的刚度17

3.4.1计算机械传动系统的刚度17

3.4.2计算滚珠丝杠螺母副的扭转刚度18

3.5齿轮传动比计算19

3.5.1横向进给齿轮箱传动比计算19

3.6横向步进电动机的计算与选型19

3.6.1初选步进电动机19

3.6.2校核步进电动机的转矩21

3.6.390BF004型电动机的具体参数25

3.6.4校核步进电动机启动矩频特性和运行矩频特性26

3.7进给伺服系统机械部分结构设计26

总结28

参考文献29

致谢30

第一章概述

1.1设计目的

通过毕业设计，学习了系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深时所学知识的理解，并且通过毕业设计的实践扩大和补充了知识，使认识提高到一个新的水平，通过毕业设计的实践，培养了调查研究的习惯和工作能力，练习查阅资料和有关标准，查阅工具书或参考书，合理选择设计计算公式，正确计算，并能以图纸和说明书表达设计的思想和结果，通过毕业设计，不但提高了解决具体问题的独立工作能力，具体动脑动手能力，而且建立了正确的设计和科研思想，加强了科学性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。

通过毕业设计受到自动控制系统开发的综合训练，达到能进行自动控制系统设计和实施的目的；

掌握典型机床的工作原理和设计思路。

1.2设计任务

1.2.1普通车床（C6136）的数控改造设计内容

包括：

总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（伺服进给机构设计、进给部件的选择与设计）

本设计任务是对C6136卧式车床进行数控化改造，实现对微机对车床的数控化控制。

利用微机对车床的横向进诶系统进行数字控制，并要达到横向最小单位0.005mm/setp。

图纸部分：

1、完成普通车床X方向进给运动机械改装图一张A1.2、完成单片机控制电路图一张A1。

3、完成设计说明书一份。

说明书部分：

1、C6136普通车床传动系统分析及结构组成分析。

2、机床改装总体方案的确定。

3、机械部分设计计算、结构设计说明。

4、控制系统电路设计简要说明。

5、选择车床加工典型零件图，制定加工工艺并编程。

说明书应不少于1万字。

1.2.2设计参数

C6136最大加工直径:

360mm

最大加工长度：

750mm，

刀架及溜板重力：

纵向1000N

横向600N

最大进给速度纵向：

纵向0.6m/min

横向0.3m/min

定位精度：

0.015mm

主电机功率：

4.5kw

1.2.3数控机床工作原理及组成

（1）数控机床工作原理

数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。

将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其他。

数控机床的组成图：

图1.2.3数控机床的组成图

选择交换、工件夹紧送卡和冷却润滑的开关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。

（2）数控机床的组成

数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成。

第二章总体方案的拟定及框图

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。

我国最为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。

2.1总体方案确定

拆除原来横向进给的丝杠，换上滚珠丝杠；

保留原来的横向手柄机构，横向步进电机和和减速箱安装在机床后侧

（1）由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。

考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。

选用步进电动机通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距小。

但是，增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本相矛盾。

因此在实际选用步进电动机时，要考虑各方面的因素。

首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。

脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。

为兼顾精度与速度的要求，应在满足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当量。

当脉冲当量确定后，以此为依据选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。

（2）丝杠螺母副

卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠，即丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。

由于，滑动丝杠螺母副的摩擦大、转动效率低。

在精度要求不高的情况下，可以仍用原机床的滑动丝杠。

若要求机床精度和被加工精度较高的情况下，应将原机床的滑动丝杠螺母副改成滚动丝杠螺母副。

考虑本设计的设计要求，选用滚珠丝杠螺母副代替原机床的滑动丝杠螺母副。

（3）机床导轨改造卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床的导轨而运动的。

导轨的作用就是支承和导向，即支承运动部件，并保证运动部件在外力的作用下，能准确的沿着一定方向运动。

导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工精度要求、支承能力和使用性能。

数控化改造时根据原机床导轨的磨损程度和加工精度要求，来去诶那个导轨的结构形式。

一般是将原机床进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。

贴塑导轨摩擦系数小，且动、静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；

耐磨性、抗咬伤能力、加工性和化学性能稳定，具有良好的自润滑性和抗震性；

工艺简单，成本低。

（4）机械传动方式

为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠。

为了保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。

选用滚珠丝杠螺母副。

同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。

齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。

2.2设计方案

2.2.1系统运动方式的确定

数控按系统运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。

2.2.2伺服系统的选择

伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。

开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向送的。

指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。

开环系统主要由步进电机驱动。

闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。

闭环系统多采用直流伺服电机或位流伺服电机驱动。

半闭环控制系统与闭环系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元件出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。

2.2.3执行机构传动方式的确定

为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。

在设计中应考虑以下几点：

Ⅰ尽量采用低磨擦的传动和导向元件。

如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。

Ⅱ尽量消除传动间隙。

例如采用间隙齿轮等。

Ⅲ提高系统刚度。

缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。

可采用预紧的方法提高系统刚度。

例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。

2.3绘制总体方案框图

第三章设计内容（计算）

3.1机床横向进给伺服系统机械部分设计计算及校核

确定系统的脉冲当量

根据数控机床精度要求确定脉冲当量0.005mm/setp

3.1.1主切削力及其切削分力的计算

（1）计算主切削力

横切端面

—车床床身上加工最大直径

—纵切时的主切削力

横切端面时主切削力可取纵切时的

=0.67=0.67=4576.45（N）

==4576.45=2288.2（N）

（2）计算各切削分力

车削抗力和可以按下列比例分别求出：

：

=1:

0.25:

0.4

=0.25=0.25×

2288.2N=572.06（N）

=0.4=0.4×

2288.2N=915.19（N）

3.1.2导轨摩擦力的计算

因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上。

车削时作用在进给拖板上的载荷、及与车刀所受的车削抗力、及有如下对应关系：

—拖板上纵向进给方向上的载荷（N）

—拖板上垂直进给方向上的载荷（N）

—拖板上横向进给方向上的载荷（N）

（1）根据以上关系计算在切削状态下的导轨摩擦力。

此时导轨受到的垂向切削分力=2288.2N，横向切削分力

=915.19（N），移动部件（包括机床夹具和工件的质量）所受的重力W=600N，得到镶条紧固力=800（N）（根据《数控技术课程设计》表2-3），取导轨动摩擦系数μ=0.15，则

=μ（W+++）——《数控技术课程设计》式（2-8a）

=0.15×

（600+800+2288.2+915.19）

=690.51（N）

（2）计算在不切削状态下的导轨摩擦力和。

=μ（W+）——《数控技术课程设计》式（2-9a）

=0.15（600+800）=210（N）

=（W+）——《数控技术课程设计》式（2-9a）

=0.2（600+800）=280（N）

3.1.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力

（1）计算最大轴向负载力。

=+——《数控技术课程设计》式（2-10a）

=915.19+690.51N=1605.7（N）

（2）计算最小轴向负载力。

210（N）——《数控技术课程设计》式（2-10b）

3.1.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算

（1）按预期工作时间估算滚珠丝杠预期额定动载荷

已知数控机床的与其工作时间=15000h，滚珠丝杠的当量载荷==1605.7N，根据《数控技术课程设计》表2-28得，载荷系数=1.3，查表2-29，初步选择滚珠丝杠的精度等级为3级精度，取精度系数=1；

查表2-30，可靠性系数=1。

滚珠丝杠的基本导程=5mm，则

=

—使用寿命（h），对于数控机床取15000h

=—滚珠丝杠的当量转速

—滚珠丝杠的当量载荷

—载荷系数

—精度系数

—可靠性系数

—丝杠导程，初选5mm

—最大切削条件下进给速度，可取最高进给速度的1/2—1/3，取=1/2×

0.3m/min=0.15m/min

===30r/min

===6262.23N

（2）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径

1）根据定位精度和重复定位精度要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。

已知本车床横向进给系统的定位精度为15μm，则

=（1/5~1/4）×

15μm=3~3.75μm

取上述的最小值=3μm

2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径。

滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用一端固定、一端游动的支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为

L=行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承长度

（1.2~1.4）行程+（25~30）

取

L=1.4行程+30

=（1.4180+305）mm=402mm

0.078——《数控技术课程设计》式（2-25）

=0.078mm=15.11mm

（3）初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号

根据以上计算所得的、、和结构的需要，初步选择南京工艺装备公司生产的FFZL型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副，型号为FFZL2505-3（《数控技术课程设计》附录A表A-3），其公称直径、基本导程、额定动载荷和螺纹底径如下：

=25mm，=5mm

=10200N=6262.23N

=21.9mm15.11mm

故满足要求。

3.2脉冲当量的确定

根据数控机床精度要求确定脉冲当量0.005mm/setp

图2-1

3.3滚珠丝杠螺母副的承载能力校验

3.3.1滚珠丝杠螺母副临街压缩载荷的校验

已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径=21.9mm，由图2-1可知滚珠丝杠了螺母副的最大受压长度=264mm，丝杠水平安装时，取=1/3，=2（根据《数控技术课程设计》表2-44），则

=——《数控技术课程设计》式2-35

=2N

=220027.69N

本车床横向进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为=1605.7N，远小于其临界压缩载荷的值，故满足要求。

3.3.2滚珠丝杠螺母副临界转速的校验

由图2-1得滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度=320mm，其弹性模量E=2.1MPa，密度ρ=7.8N/m，重力加速度g=9.8mm/。

滚珠丝杠的最小惯性距为

I==m=11285.64m

滚珠丝杠的最小截面积为

A==m=376.49m

取=0.8，λ=3.927（根据《数控技术课程设计》表2-44），则

=——《数控技术课程设计》式2-36

=0.8r/min

=32371.68r/min

本横向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为30r/min，远小于其临界转速，故满足要求。

3.3.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验

查《数控技术课程设计》附录A表A-3得滚珠丝杠的额定动载荷=10200N，已知其轴向载荷==1605.7N，滚珠丝杠转速n==30r/min,其运转条件系数=1.2

L=（——《数控技术课程设计》式2-37

=（r=1.48r

==h=82222.2h——《数控技术课程设计》式2-38

本车床数控化改造后，滚珠丝杠螺母副的总工作寿命=82222.2h15000h，故满足要求。

3.4计算机械传动系统的刚度

3.4.1计算机械传动系统的刚度

（1）计算滚珠丝杠的拉压刚度。

本机床横向进给传动链的丝杠支承方式为一段固定、一端游动。

已知滚珠丝杠的弹性模量E=2.1MPa，滚珠丝杠的底径=21.9mm。

当滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离a==264mm时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度，则

=——《数控技术课程设计》式2-43a

=598.97N/μm

当a==84mm时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度，则

=——《数控技术课程设计》式2-43b

=941.23

（2）计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度。

已知滚动体直径=5.953mm，滚动体个数Z=15，轴承的最大轴向工作载荷===1605.7N，则由《数控技术课程设计》表2-45，表2-46得

=2

=2

=503.41

（3）计算滚珠与滚道的接触刚度。

查《数控技术课程设计》附录A表A-3得滚珠与滚到的接触刚度K=657，滚珠丝杠的额定动载荷=10200N，已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷=1605.7N，则

=K（——《数控技术课程设计》式2-46b

=657（

=764.28

（4）计算进给传动系统的综合拉压刚度K。

进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为

=++——《数控技术课程设计》式2-47a

=++

=0.0044

得=229.50

=++——《数控技术课程设计》式2-47b

=++

=0.0050

得，=201.43

3.4.2计算滚珠丝杠螺母副的扭转刚度。

由图2-1得扭矩作用点之间的距离=370mm，已知滚珠丝杠的剪切模量G=8.1MPa，滚珠丝杠底径=21.9mm，则

=Nm/rad

=4941.28Nm/rad

3.5齿轮传动比计算

3.5.1横向进给齿轮箱传动比计算

已确定横向脉冲当量

初步选步进电动机步距角可计算传动比i：

i===2

i===

=24，40,=20,=25

因进给运动齿轮受力不大，模数m取2，有关参数参照以下表

表4-1：

传动齿轮几何参数

齿数

Z

24

40

20

25

分度圆

d=mz

48

80

50

齿顶圆

=d+2m

52

84

44

54

齿根圆

=d-21.25m

43

75

35

45

齿宽

（6-10）m

中心距

A=

64

3.6横向步进电动机的计算与选型

3.6.1初选步进电动机

（1）计算步进电机负载转矩

=——查阅《综合作业指导书》P22页

式中：

—脉冲当量，取=0.005mm/setp

—进给牵引力（N）

—步距角，初选双拍制为

η—电机—丝杠传动效率为齿轮、轴承、丝杠效率之积分别为

、、

===70.76N

（2）估算步进电动机起动转矩（N）

一般横向进给伺服系统取0.4—0.5

===176.9（N）

（3）计算最大静转矩。

查《数控技术课程设计》表2-48如取五相十拍，则==0.951

===186.01（N）

（4）计算步进电动机运行频率和最高起动频率。

—最大切削进给速度

—最大快移速度

—脉冲当量，取=0.005mm/setp

===1000（Hz）

===333.33（Hz）

（5）初选步进电动机型号

根据估算处的最大静转矩在《数控技术课程设计》附录表A-5查处90BF004最大静转矩为245N可以满足经济型数控机床有可能使用较大的切削用量，应选用稍大转矩的步进电动机，以留有以留有一定余量，另一方面与国内同类型机床进行类比的要求。

决定采用90BF004，从《数控技术课程设计》附录表A-5，查出步进电机最高空载启动频率为400Hz，满足空载时（333.33Hz）的要求。

3.6.2校核步进电动机的转矩

前面所述初选步进电动机的转矩计算，均为估算，初选后，应该进行校核计算。

（1）等效转动惯量计算

加在电动机轴上的总的负载转动惯量的计算

=+（Kg）——《数控技术课程设计》式（2-66）

=m（Kg——《数控技术课程设计》式（2-65）

=Kg——《数控技术课程设计》式（2-63）

=（j=1,2,3……,n）Kg——《数控技术课程设计》式（2-64）

—材料密度（kg/）,对于钢，=7.8kg/；

D—回转体的直径（cm）；

L—回转体的长度（cm）；

J—零件序号，j=1,2,3……,n；

i—传动比；

m—机床执行部件的总质量（Kg）；

L—电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离（cm）。

1）计算滚珠丝杠的转动惯量

=Kg

=1.066Kg

2）计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量

=m（

=61.22（

=0.39Kg

3）计算各齿轮的转动惯量

=2Kg

=0.828Kg

=6.39Kg

=0.399Kg

=0.975Kg

4）计算加在电动机轴上总负载转动惯量

=+（）

=0.828+（6.39+0.399）+（0.975+1.066+0.39）Kg

=3.133Kg

基本满足惯量匹配的要求。

（2）计算这算到电动机轴上的负载力矩

1）计算折算到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==1605.7N，丝杠每转一圈，机床执行部件轴向移动距离L=5mm=0.005m，进给传动系统的传动比i=2，进给传动系统的总效率=0.85，则

=——《数控技术课程设计》式（2-54）

—在切削状态下，各坐标轴的轴向负载力（N）

L—电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离（m）

—进给传动系统的总效率，丝杠与电动机直连时，取=0.90；

不直连时，取0.85

=

=NM

=0.752NM

2）计算折算到电动机轴上的摩擦负载力矩。

已知在不切削状态下的轴向负载力（即空载时的导轨摩擦力）=210N，则

=——《数控技术课程设计》式（2-55）

—不切削状态下各坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力，N）

=NM

=0.098NM

3）计算由滚珠丝杠预紧力产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩。

已知滚珠丝杠螺母副的效率0.98，滚珠丝杠螺母副的预紧力为

==1605.7N=535.23N，则

=——《数控技术课程设计》式（2-56）

—滚珠丝杠螺母副的预紧力（N）；

—滚珠丝杠螺母副的基本导程（m）；

—滚珠丝杠螺母副的效率，一般取=0.98

=0.217NM

4）折算到电动机轴上的负载力矩T的计算。

①空载时（快进力矩），

=+——《数控技术课程设计》式（2-57a）

=（0.098+0.217）NM

=0.315NM

②切削时（工进力矩