机械机床毕业设计35CA6140普通车床进行数控改造设计.docx

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机械机床毕业设计35CA6140普通车床进行数控改造设计

一、绪论

1.1引言

随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，产品的更新换代也不断加速，因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率，而且应能迅速地适应产品零件的变换。

生产的需要促使了数控机床的产生，随着电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速的发展起来。

从第一台数控机床（1952年美国）问世至今，机床的数控化率在不断的提高。

世界各工业国家已普遍生产和应用，日本生产机床的数控化率在1988年就已达到70%。

我国从开放搞活以来，加快了数控机床技术的引进，促使我国的机床数控技术的普及和发展。

当前普遍应用的微型计算机数控机床，它综合了电子技术、计算机技术、自动化技术、测量技术和机械制造等方面的最新成果，是一种灵活高效的自动化机床，是机电一体化的典型产品之一。

各大企业不断设置数控机床扩大再生产和替换陈旧设备。

数控机床的普及率不断提高，这种情况下，普通机床的数控改造是否必要可从以下几点说明。

数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批多变零件的加工问题，能够稳定的加工质量和提高生产效率，但是应用数控机床还是受到其他条件的限制。

⑴数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小企业常是力不从心。

⑵目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代的机床闲置起来又造成浪费。

⑶国内订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。

⑷通过数控机床对具体生产有多余功能。

要较好地解决上述问题，应走普通车床数控改造之路，从一些工业化国的经验者，机床的数控改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。

如：

日本的大企业中有近30%的机床经过数控改造，中小企业则是70%以上。

在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供机床数控改造服务。

我国作为机床大国-为了提高机床的数控化率对普通机床进行数控改造不失为一种良策。

一些发达国家如德国、美国、日本等就非常重视对旧机床的改造，而且已形成了一个完善的产学研结合的改造体系。

由于技术的不断进步，机床改造已成为一个永恒的课题。

我国应在这方面加大宣传力度，走出一条适合我国国情的机床的数控改造之路。

机床数控改造节省资金，同购置新机床相比一般可节省60％~80％的费用，大型及特殊设备尤为明显。

一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3即使将原机床的结构进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60％的费用，并可以利用现有地基。

性能稳定可靠，因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。

机床经数控改造后，即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高3-7倍。

对复杂零件而言，难度越高，功效提高得越多。

且可以不用或少用工装，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。

因此，普通机床的数控不但存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小企业更是如此。

1.2机床数控改造的目的

设备是企业发展生产技术和实现经营目标的物质基础。

设备的技术性能

和技术状态不但直接影响产品质量，还关系工时、材料和能源的有效利用，同时对企业的经济效益也会产生深远影响。

设备的技术改造和更新直接影响企业的技术进步、产品开发和市场开拓。

因此，从企业产品更新替代、发展品种、提高质量、降低能耗，提高劳动生产率和经济效益的实际出发，进行充分的技术分析，有针对性的用新技术改造和更新现有设备，是提高企业素质和市场竞争力的一种有效方法。

据全国工业普查的统计资料介绍，截止到2000年底，数量较多涉及面较宽的金属加工机床的拥有量约为384万台，其中役龄在6~15年约为153.2万台，约占39.9%，役龄在16a以上约为133.7万台，约占34.8%。

这表明我国工业制造业的装备，乃至各行各业的设备仍有相当大数量比较落后，有待改造或更新。

鉴于此，采用数控技术对普通机床进行数控改造，尤其适合我国机床拥有量大，生产规模小的具体国情。

1.3数控系统的产生和发展

1.3.1数控系统的出现和发展

第二次世界大战后，美国为革新飞机制造业中用于仿形机床的靠模和样件的加工设备，开始研制新型机床。

1952年，美国帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，研制成功第一代数控系统。

用于三坐标立式铣床。

其插补装置采用脉冲乘法器，整个控制装置由真空管组成。

1959年，晶体管元件问世，数控系统中广泛采用晶体管和印制板电路，从此数控系统进入第二代。

1965年，出现了小规模集成电路，由于其体积较小，功耗低，抗干扰能力较强，使数控系统的可靠性得到进一步提高，数控系统发展到第三代。

上述三代数控系统均为硬接线数控系统，称为普通数控系统o随着计算机技术的发展，出现了以小型计算机替代专用硬接线装置，以控制软件实现数控功能的计算机数控系统，使数控系统进入第四代。

1970年前后，美国英特尔公司首先开发和使用了四位微处理器，1974年美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统，由于中、大规模集成电路的集成度和可靠性高、价格低廉，所以微处理器数控系统得到了广泛应用。

这就是微机数控系统，从而使数控系统进入了第五代。

现代数控系统为了进一步扩展功能，增强实时控制能力和可靠性，常采用多微处理器结构，由多个微处理器构成功能模块，各功能模块之间的互连与通信，或采用共享总线结构，或采用共享存贮器结构。

1.3.2数控系统的发展趋势

1、向高速度、高精度发展

现代机床数控系统多采用32位CPU和多CPU并行技术，使运算速度得了很大的提高。

与高性能数控系统相配合，现代数控机床采用了交流数字伺服系统。

伺服电机的位置、速度和电流环都实现了数字化。

数控系统的联动轴数多达9个，使机床可以加工较复杂的空间线型或型面。

2、可靠性的提高

由于现代数控系统的模块化、通用化和标准化，便于组织批量生产，故可保证产品质量。

现代数控系统大量采用大规模集成电路，采用专用芯片及混合式集成电路，提高了集成度，减少了元器件数量，提高了可靠性。

3、采用自动程序编制技术

现代数控系统利用其自身很强的存贮及运算能力，把很多自动编程功能植入数控系统。

在一些新型的数控系统中，还装入了小型工艺数据库，使得数控系统不仅具有在线零件程序编制功能，而且可以在零件程序编制过程中，根据机床性能，工件材料及零件加工要求，自动选择最佳刀具及切削用量。

1.4CA6140的数控改造

本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。

利用微机数控系统改造纵、横向进给系统，进行开环控制，纵向脉冲当量0.01mm/脉冲，横向为0.005mm/脉冲。

驱动元件采用直流步进电机，传动系统采用滚珠丝杠。

1.4.1数控系统的选择

数控系统是机床的核心，在选择时，要对其性能、经济性及维修服务等进行综合考虑，尽量选用名牌产品。

根据被改机床的结构、性能及被加工零件的精度来选择数控系统。

既要功能相匹配，又要尽量减少过剩的数控功能。

这样一方面可避免资金浪费，另一方面也可避免因数控系统复杂而增加的故障率。

目前数控系统主要有三种类型：

步进电机拖动的开环系统；异步电机或直流电机拖动光栅测量反馈的闭环数控系统；交/直流伺服电机拖动编码器反馈的半闭环数控系统。

其中步进电机拖动的开环系统，其伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。

该系统位移精度较低，但结构简单、调试维修方便、质量稳定可靠、成本低、抗干扰性能强、对环境室温要求不高，易改装成功。

适用于精度要求一般的中小型机床的改造，也是目前数控改造中应用最为广泛的一种。

异步电机或直流电机拖动光栅测量反馈的闭环数控系统控制精度高，但在结构上比开环进给系统复杂，工作量大，成本也高，调试困难，一般不采用。

交/直流伺服电机拖动编码器反馈的半闭环数控系统，其精度介于前二者之间，结构与调试都较闭环系统简单，适用于控制精度要求较高的大、中型机床的改造。

总体方案确定为用MCS——51系列单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵横向进给运动。

示意图如图1所示。

图1

由于设计的是经济型车床的改造，所以在考虑具体的方案时，其本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减少改动量，以降低成本。

8031单片机在数控改造应用较普通，各种应用软件较多，系统开发较容易，且其价格低廉，抗干扰性强，可靠性高，速度快，指令系统的效率高，体积小，最适宜用来开发简易和小型专用的数控装置。

1.4.2CPU和存储器

由于8031无片内程序存储器,需要扩展外部程序存储器,同时,8031内部只有128字节的数据存储器,也不能满足控制系统的要求,故扩展了两片2764的程序存储器和一片6264数据存储器。

8031芯片的P0和P2用来传送外部存储器的地址和数据,P2口传送高八位地址,P0口需传送低八位地址和数据,所以要采用74LS373地址锁存器,锁存低八位地址,ALE作为选通信号。

8031芯片的P2和74LS373送出的P0口低八位地址共同组成16位地址,2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址线,A0~A7低八位接74LS373的输出,A8~A12接8031芯片的P2.0~P2.4,系统采用全地址译码,两片2764芯片片选信号CE分别接74LS138译码器的Y0和Y1,系统复位后程序从0000H开始执行。

6264的片选信号CE也接74LS138译码器的Y2（单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址）、8031芯片控制信号PSEN接2764的OE引脚,读写控制信号WR和RD分别接6264芯片的WE和OE,以实现外部数据存储器的读写。

由于8031芯片内没有ROM故EA须接地。

1.4.3I/O接口电路

由于8031只有P1和P3口部分能提供用户作为I/O口使用,不能满足输入输出口的需求,因而系统扩展了两片8155可编程输入输出接口电路。

8155的片选信号CE分别接74LS138的Y3和Y4,74LS138译码器的三个输入端A、B、C分别接到8031的P2.5、P2.6、P2.7。

I/O接口与外设的联接是这样安排的:

8155

（1）芯片的PA0~PA5为面板上的选择开关;PB0~PB7是各种运行的点动控制;PC0~PC3发出刀位信号,控制刀架电机回转,到达指定的刀位,刀架夹紧之后,发出换刀回答信号,经8155

（1）的PB5输入计算机,控制刀架开始进给。

8155

（2）芯片的PA0~PA7为Z、X向电机输出驱动脉冲,PB0~PB3是键盘扫描输入,PB4~PB7的输出是X!

Y向的限位控制,PC0~PC5是显示器的位选信号,显示器的段选信号由8031的P110~P117控制。

1.4.4其它部件的选择

直流步进电动机参照《金属切削机床设计简明手册》选取。

滚珠丝杠选取FD系列，北京机床厂产品。

为内循环双螺母垫片预进，其优点是结构简单，装卸方便、刚度高。

纵向进给机构的改造。

拆除原机床的进给箱和溜板箱，在原机床进给箱处安装齿轮箱体，滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置，采用原固定方式。

横向进给机构改造。

拆除原手动机构，用于微进给和机床刀具对零件操作，原有的支承结构也保留。

步进电机、齿轮箱体安装在机床后侧。

纵横向进给机构都采用了一级齿轮减速，调隙齿轮用于消除齿轮传动中的间隙，以提高数控机床进给系统的驱动精度。

在原溜板箱处安装纵、横向快速进给按钮和急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到意外情况时的紧急处理需要。

CA6140车床数控改造总布置图如图6所示。

二、数据参数的选择及其计算

2.1纵向进给系统得设计计算

工作台重量：

80kg

时间常数：

T=25ms

滚珠丝杠导程：

S=6mm

行程：

L=1200mm

脉冲当量：

σ=0.018mm/step

步距角：

φ=0.75°/step

快速进给速度：

Vmax=2m/min

加工最大直径：

φ=400mm

加工最大长度：

1000mm

溜板及力架重力：

800N

刀架快段速度：

2.4m/min

最大进给速度：

0.6m/min

主电机功率：

7.5KW

起动加速时间：

30ms

机床定位精度±0.015mm

2.1.1选择脉冲当量：

根据机床精度要求确定，纵向0.01mm/步。

2.1.2计算切削力：

①纵车外圆;

由文献可知切削功率Nc=Nηk式中：

N——电动机功率7.5KW

η——主动系统总功率一般为0.6~0.7取η=0.65

K——进给系统功率系数：

取0.96

Nc=NηK=7.5×0.65×0.96=4.68KW

又因Nc=FzV/6120有Fz=6120Nc/V

式中V——切削速度取100m/min

主切削力Fz=6120×4.68/100=286.416kgf=2806.88N

由参考文献二可知，主切削力

Fz=CFz·apXFz·fYFz·kTfz

查表:

Cfz=188kgfmm

XFz=1YFZ=0.75KTfz=1

则可计算如下表:

ap（mm）

2

2

2

3

3

3

F（mm）

0.2

0.3

0.4

0.2

0.3

0.4

Fz（kgf）

112.5

152.4

189.1

168.7

228.7

283.7

当Fz=283.7kgf时，切削深度ap=3mm，走刀量f=0.4mm，此参数作为下边计算用，由参考文献一得一般外圆车削时Fx=（0.1～0.6）FzFy=（0.15～0.7）Fz

Fx=0.5Fz=0.5×286.416=143.208kgf=1403.44N

Fy=0.6Fz=0.6×286.416=171.8496kgf=1684.1N

②横切端面：

主切削力Fz′（kgf）可取纵切的1/2

Fz=′Fz×1/2=143.208kgf=1403.44N

取Fx′=0.6Fz′=0.6×143.208=85.9248kgf=842.06N

Fy′=0.5Fz=0.5×143.208=71.604kgf=701.72N

2.1.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型：

纵向进给丝杠

1计算进给率引力Fm（N）

纵向进给为综合导轨Fm=KFx+f′（Fz+G）

式中K——考虑颠覆力矩影响的实验系数综合导轨取K=1.15

f′——滑动导轨摩擦系数0.15~0.18，取0.16

G——溜板及力架重力：

800N

Fm=KFx+f′（Fz+G）=1.15×1403.44+0.16（2806.88+800）=2191.06N

2计算最大的负载C

C=Fm·fw·L1/3其中L=60nT/10n=1000Vs/L0

其中L0——滚珠丝杠导轨。

初选L0=6mm

Vs——最大切削力F的进给速度可取最高进给速度的（1/2~1/3），此外Vs=0.6m/min。

T——使用寿命按15000h

fw——运转系数。

按一般运转取fw=1.2~1.5。

L——寿命以106转为1单位。

N=1000Vs/L0=1000×0.6×0.5/6=50r/min

L=60nT/10=60×50×15000/10=45

C=Fm·fw·L1/3=451/3×1.2×2191.06=9352.04N

3滚珠丝杠螺母副的选型。

据北京机床研究所滚珠丝杠产品的样本选取丝杠直径φ40，选用型号为FD40×6—1×2—3其额定动载荷为163000N，精度等级E级，强度够用。

4传动效率计算

η=tgδ/tg（γ+φ）γ—螺旋升角2°44′

η=tgγ/tg（γ+φ）=tg2°44′/tg（2°44′+10′）=0.94

5刚度计算：

滚珠丝杠受工作负载Fx引起的导程L0的变化量ΔL1=FmFm/EF

其中：

ΔL1——在工作负载Fx作用下引起每一导程的变化量mm）

Fm——工作负载即进给率引力N

L0——滚珠丝杠的导程（mm）

E——材料弹性模数对钢E为20.6×104（N/mm2）

S——滚珠丝杠截面积（内径）（mm2）

S=π（d′/2）2d′=d0+2e-2Rs=36.3789

S=π（d′!

/2）2=（36.379/2）2×3.14=10.38mm

其中Rs=（0.51~0.56）Pw=1.836

e=0.707（Rs-Dw/2）=0.025

故ΔL=FmL0/EF=2191.06×0.6/20.6×106×10.38=6.1428×10-6cm

滚珠丝杠受扭转引起的导程变化量ΔL2ΔL2=L0φ/2π+φ很小，忽略不计。

所以ΔL=ΔL1+ΔL2=ΔL1

Δ=100ΔL/L0=100/0.6×6.1428×10-6=10.238μm

查表知E纹精度丝杠允许误差15μm

10.238μm＜15μm刚度够

⑥稳定性校核：

滚珠丝杠两端用推力球轴承，支承基本不变，稳定性不存在问题。

2.1.4齿轮及步进电机的有关计算：

设计计算公式均来自参考文献一

1纵向传动有关齿轮计算，传动比i

i=φL0/360σp=0.75×6/360×0.01=1.25

L0——滚珠丝杠导程φ——步距角σp——脉冲当量

故取Z1=32Z2=40m=2mmb=18α=20°d1=mZ1=64mm

d2=mZ2=80mmdα1=d1+2ha*=68mmdα2=84mm

df1=d1-2hf=59mmdf2=75mmd=d1+d2/2=72mm

2纵向步进电机计算

传动惯量的计算

（Ⅰ）工作台质量折算到电机轴上的转动惯量

J1=（180δp/πφ）2·W=（180×0.001/3.14×0.75）2×80

=0.468kgf·cm2

（Ⅱ）丝杠转动惯量

J2=7.8×10－4×4.04×150.0=29.95kg·cm2

（Ⅲ）齿轮的转动惯量

J3=7.8×10－4×6.44×1.8=2.355kg·cm2

J4=7.8×10－4×8.04×1.8=5.75kg·cm2

（Ⅳ）电机转动惯量很小可以忽略

总的转动惯量为J

J=1/22（J2+J4）+J1+J3=1/1.252（29.95+5.75）+2.355+0.468

=22.586kg·cm2

所需转动力矩计算

<1>快速空载启动时所需力矩M起

M起=Mamax+Mf+M0

<2>最大切削负载时所需力矩

M=Mat+Mf+M0+Mt

<3>快速进给时所需力矩M=Mf+M0

式中Mamax——空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩

Mf——折算到电机轴上的摩擦力力矩

M0——由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力力矩

Mat——切削时折算到电机轴上的加速度力矩

Mt——折算到电机轴上的切削负载力矩

Ma=J·n/9.6T×10-4N·m

当n=nt时，Ma=Mamax

nmax=Vmax·i/s=2000×1.25/6=416.7r/min

Mmax=22.586×416.7/9.6×0.025×10-4=40.0138kgf·cm

当n=nt时，Ma=Mats---导程6mm

nt=ni·f·i/s=1000×100×0.4×1.25/3.14×80×6=33.17r/min

Mat=22.58×33.17/9.6×0.025×10-4=0.3112N·m=3.175kgf·cm

Mf=F0·S/2πηi=f′WS/2πηi

当η=0.8，f′=0.16时

Mf=0.16×80×0.6/2×3.14×0.8×25=1.223kgf·cm

M0=P0·S/2πηi（1-η02）

η0=0.9，预加载荷P0=1/3FX,则

M0=FX·S/6πηi（1-η02）=143.208×0.6×（1-0.92）/6×3.14×0.8×1.25=0.866kgf·cm

Mt=FX·S/2πηi=143.208×0.6/2×3.14×0.8

×1.25=13.68kgf·cm

所以，快速空载启动所需力矩

M=Mamax+Mf+M0=40.0138+1.223+0.866=42.10kgf·cm

切削时所需力矩

M=Mat+Mf+M0+M0=3.175+1.223+0.866+13.68=18.95kgf·cm

快速进给时所需力矩：

M=Mf+M0=1.223+0.866=2.089kgf·cm

从以上数据分析，所需最大力矩Mmax发生在快速启动时。

<4>步进电机最高工作效率

fmax=Vmax/60δp=2000/60×0.01=3333.3Hz

<5>步进电机的选择

对于工作方式为三相六拍的步进电机

Tmax=Mmax/0.6=42.10/0.866=48.6kgf·cm

查表选用110BF003型直流步进电机，其最大静转矩是800N·cm=48.6kgf·cm

该电机在3333.3Hz下启动远达不到所需要的转矩42.1kgf·cm，所以采用高低压功放电路，并在程序设计中有速度控制子程序以免启停时发生失步现象。

其矩频特性满足实际需要的转矩。

2.2横向进给系统的设计计算：

由于横向进给系统的设计计算与纵向类似。

所用的公式不在详细说明

工作台重量：

30kg

时间常数：

T=25ms

滚珠丝杠导程：

S=6mm

行程：

L=226mm

脉冲当量：

δp=0.005mm/step

步距角：

φ=0.75°/step

快速进给速度：

Vmax=1m/min

加工最大直径：

φ210mm

刀架快移速度：

1.2m/min

最大进给速度：

0.3m/min

主电机功率：

7.5kw

2.2.1切削力计算：

横向进给量为纵向的1/3~1/2，取1/2。

则切削力约为纵向的1/2

Fz=1/2×286.416kgf=143.208kgf

在切断工件时Fy=0.6Fz=0.6×143.208=85.925kgf

Fx=0.5Fz=0.5×143.208=71.604kgf

2.2.2滚珠丝杠设计计算：

1强度计算

对于燕尾型导轨P=kFx+f′（Fz+W+2Fy）

取k=1.4f′=0.2则

Fm=1.4×71.604+0.2×（143.2+30+2×85.925）=169.26kgf

n=1000Vcs/L0=30r/min

X寿命值：

L=60ntT/10 6则

L=60×n×T/106=60×30×15000/106=27

Q=271/3×1.2×169.26=609.33=5971.4N

根据北京机床厂滚珠丝杠产品，选取滚珠丝杠公称直径为φ25，型号FD25×5——1×2——3LH其额定动载荷为23100N，所以强度足够。

2效率计算

螺旋开角r=3°39′摩擦角φ=10′

η=tgr/tg（r+φ）=tg3°39′/tg（3°39′+10′）=0.956

3刚度验算

横向丝杠支撑方式如下图4，最大牵引力为169.25kgf,支撑间距L=450mm

滚珠丝杠受工作负载P引起的导程L0的变化量为：

d=d0+2e-2Rs=25+2×0.02×0.6×5×0.707-2×0.52×0.6×5

=21.96mm

ΔL1=PL0/E·F

其中L0=5mmE=20.6×106N/cm2

F=π（d/2）2=3.79cm2

ΔL1=169.25×9.8×0.5/20.6×106×3.79

=10.62×10-6滚珠丝杠受扭距引起的导称变化量很小，可以忽略，故

Δ=ΔL1×1/L0=21.3μm/m

三级精度丝杠允许误差为15μm，所以刚度不够，滚珠