普通车床的数控化改造.docx
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普通车床的数控化改造
毕业设计
题目：
普通机床的数控改造
——机械部分的设计
系别：
机械工程系
专业：
机械设计及自动化
姓名：
段国雄
学号：
087013109
指导教师：
田静
2011年6月7日
诚信声明
本人声明：
我所呈交的专科毕业设计论文是本人在指导老师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和参考文献中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
本人签名：
日期：
2011年6月7日
普通机床的数控改造---机械部分的设计
摘要：
C616普通车床数控化改造，利用微机对纵向、横向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005/脉冲，驱动元件采用步进电动机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用四工位电动自动转位刀架。
它主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：
控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。
这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制的对象。
关键字：
数控改造，进给系统，滚珠丝杠
Abstract：
C616GeneralofNClathe,theuseofcomputerontheverticalandhorizontalfeedsystemforopen-loopcontrol,theverticalpulseequivalentto0.01mm/pulse,thehorizontalequivalentof0.005pulse/pulse,withsteppermotordrivecomponents,drivesystemwithballscrewsbarpair,afour-positionturretelectricautomaticindexingturret.Itismainlyusedforsmallandmediumsizedshaft,disktypeandscrewmachining,machinetoolprocessingrequirementsofthesepartsworktobecompletedincludes:
ReversibleControlofthespindleandthecuttingspeedtoachievetheirdifferentspindlespeed;knifetoachieveVerticalandhorizontalfeedmotion,andautomatictoolchangewithchangesinthefourcuttertocompletetheselectiontool;coolingpumps,lubricationpumpstartandstop;processingthread,shouldensureaturnthespindle,toolholdertobeprocessedtomoveathreadpitchorlead.ThecontentofthisworkisthetransformationofNCCNCsystemobjects.
Key:
CNCtransformation,Feedingsystem,Ballscrew
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
普通机床的数控改造----（机械部分的设计）
系部：
机械工程系专业：
机械制造及自动化学号：
087013109
学生：
段国雄指导教师（含职称）：
田静（讲师）专业负责人：
李雅青
1．设计（论文）的主要任务及目标
1）对C616机床的改造后能使其实现数控控制，让数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，提升机床的加工精度，柔性，生产率；实现计算机操控，排除人为误差，使零件的加工一致性好，质量稳定可靠；提高机床自动化程度，降低操作人员劳动强度。
2）通过对C616普通车床进行过改造能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论各有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定，比较，分析机进行必要的计算。
3）改造的机床具有广泛的适用性和灵活性，缩短新产品的试制和生产周期，易于组织多种品种生产，使企业能对市场需求做出快速响应。
2．设计（论文）的基本要求和内容
1）掌握普通机床C616的工作原理
2）了解其改造的设计方案
3）确定机械改造方案
4）收集相关资料及图纸（纵向进给系统结构装配图）
5）完成相应的工程图
6）论文设计说明书
7）其他（校，系规定内容）
3．主要参考文献
【1】经济型数控系统设计张新义主编机械工业出版社
【2】数控车床设计陈婵娟主编化学工业出版社
【3】机床数控改造设计与实例余英良机械工业出版社
【4】机电综合设计指导吴振彪中国人民大学出版社
【5】数控机床及其应用李善术机械工业出版社
【6】机械制造装备设计冯辛安机械工业出版社
【7】机械制造技术基础（第二版）张福润徐鸿本刘延林华中科技大学出版社
【8】数控技术课程设计范超毅赵天婵吴斌方华中科技大学出版社
【9】机电综合设计指导（第一版）吴振彪中国人民大学出版社
【10】简明机械设计手册（第二版］唐金松上海科技大学出版社
4．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
根据论文题目查看相关资料
2011年4月30日前
2
了解C616机床的结构及工作原理
2011年5月1日到5月10日
3
设计改造及其设计图
2011年5月11日到5月18日
4
完成论文
2011年5月18日到5月31日
5
校订论文，论文装订
2011年6月1日到6月
1．前言
1.1问题的提出
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，因此对普通机床的数控改造就显得相当必要了。
1.2、改造的意义
1.2.1节省资金
机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，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。
1.2.2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。
1.2.3提高生产效率
机床经改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高3至5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。
1.3、数控机床发展概况
1.3.1机床数控系统的分类
机床数控系统的种类很多，为了便于了解和研究，可以从不同的角度对其分类。
可以按伺服系统的控制方式，机床的运动轨迹，数控系统功能水平分类。
一般地，按伺服系统的控制方式进行分类。
伺服系统包括驱动机构和机床移动部件，它是数控系统的执行部分，按其控制原理可分为以下三类。
（1）开环控制系统（OpenLoopControlSystem）
典型的开环伺服系统如图1-2所示，是采用步进电机的伺服系统。
对于数控装置发来的每一个进给脉冲经驱动线路放大并驱动步进电机转动一个步距（即一个固定的角度，如1.5º），再经减速齿轮带动丝杠旋转，并通过丝杠螺母副传东工作台的移动。
可以看出工作台的移动量与进给脉冲的数量成正比。
显然这种开环系统的精度完全依赖于步进电机的步距精度及齿轮、丝杠的传动精度。
它没有测量反馈矫正措施，所以对高精度的数控机床往往不能满足要求，但开环系统的结构简单、调试容易、造价低，在数控机床的发展过程中占有一定的重要地位，现在仍普遍采用。
图1-2开环伺服系统方框图
（2）半闭环控制系统（Semi-closedLoopControlSystem）
如图1-3所示，采用装在丝杠上的角位测量丝杠或电机轴的转动量间接地测
量工作台的移动量。
它的优点就是不论工作台位移的长短，角位移测量元件制成
可循环使用。
图1-3半闭环伺服系统方框图
半闭环的意思就是用丝杠（或电机轴）的转动量与数控装置的命令相比较（闭环），而另一部分丝杠螺母工作台的位移量不受闭环控制（开环），故称为半闭环。
显然，从理论上讲，半闭环的精度低于闭环，但半闭环调试方便，稳定性好，角位移的测量元件简单、价廉，所以配备传动精度较高的齿轮、丝杠的半闭环系统得到广泛应用。
（3）闭环控制系统（ClosedControlSystem）
如图1-4所示，采用直线位移测量元件，测量机床移动部件工作台（主轴箱）的位置并将测量结果送回与数控装置命令的移动量相比较，二者不相等而有差值时，将此差值放大外控制伺服电机带工作太继续移动；直至测量值与命令值相等差值为零或接近于零时停止移动。
从理论上讲，闭环伺服系统的精度取决于测量工作台的精度，但实际上机床的结构、传动装置以及传动间隙等非线形因素都会影响精度，严重的还会使闭环伺服系统的品质下降甚至引起振荡。
图1-4闭环伺服系统方框图
1.32国内数控机床的特点
（1）.新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位
（2）数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高
2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。
金切机床产值数控化率从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。
（3）.数控机床发展的关键配套产品有了突破
今年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展，如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台；烟台第二机床附件厂开发了为数控龙门镗铣床、数控落地镗铣床及数控锻压设备等30多个系列100多个品种的数控配套产品。
2机械部分的改造
2.1改造方案的确定
C616普通车床数控化改造，利用微机对纵向、横向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005/脉冲，驱动元件采用步进电动机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用四工位电动自动转位刀架。
C616车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：
控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。
这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制的对象。
由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。
总体改造如图1所示:
C616车床总体改造图
2.2机械部分改造的设计
2.2.1纵向进给机构的改造
（1）纵向进给运动是由伺服电动机通过安全离合器直接驱动有预加载荷的滚珠丝杠，将旋转运动变为十字溜板的纵向（Z向）运动.
纵向的改造：
拆除原机床的进给箱，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱体。
滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端采用原固定方式，这样可减小改装现场，并由
于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚性略优于以前。
（2）纵向进给系统的设计。
经济型数控车床的改造，一般是步进电动机经减速后驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。
步进电动机的布局可放
置在丝杠的一端，对车床改造来说，外观不必像产品设计要求那麽高，而从改造方便实用方便来考虑。
一般都把步进电动机方在纵向滚珠丝杠的右端如下图：
2.2.2.纵向进给系统的设计计算
已知条件是
工作台重力：
W=800N
时间常数：
T=25ms
滚珠丝杠基本导程：
L＝6mm
脉冲当量：
δ＝0.01mm/step
步距角：
а＝0.75°/step
快速进给速度：
V＝2m/min
（1）切削力的计算：
由《机床设计手册》可知切削功率
Nc=NηK
式中N-------电动机功率，查机床说明书，N=4Kw
η――－主传动总效率，一般为0.6～0.7，取л＝0.65
K--------进给系统功率系数，取为K=0.96
则Nc=（4X0.65X0.96）KW
又因为Nc=Fzv/6120
Fz=6120Nc/V.
式中V------切削线速度，取V=100m/min.主切削力为
Fz=（6120X2.496/100）kgf=152.76kgf=1527.6N
由《金属切削原理》可知，主切削力
Fz=CFzаpfyFzKpz
查表得CFz＝188kgf/mm2=1880MPa
XFz=1yFz=0.75Kpz=1
则可计算Fz＝1520N时，切削深度ap＝2mm，进给f＝0.3mm，以此参数作为下面计算的依据。
从《机床设计手册》中可知，在一般外圆的车削时
ap/mm
2
2
2
3
3
3
f/mm
0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.4
Fz/mm
1125
1524
1891
1687
2287
2837
Fx=（0.1-0.6）FzFz=（0.15~0.7）Fz
取Fx=0.5Fz=（0.5X1527.6）N=763.8N
Fy=0.6Fz=（0.6X1527.6）N=916.5N
（2）滚珠丝杠设计计算.综合导轨车床丝杠的轴向力
P=KFx+f（Fz+W）
式中K=1.15,f=0.15~0.18,取为0.16
P=1.15X763.8+0.16X（1527.6+800）
=1250.8N
强度计算寿命值
L1=60n1Ti/106
n1=n主f/L0=1000vf/3.14DL0
取工件直径D=80mm,查表得T1=15000h.
则n1=1000X100X0.3/3.14X80X6=20r/min
Li=60X20X15000/106=18
最大动负载Q=L1/3PfwfH
查表得运转系数fw=1.2硬度系数fH=1
则Q=181/3X1.2X1X1250.8=3933.6N
根据最大动负荷Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。
例如，滚珠
丝杠可以参照南京工艺装备厂的产品样本选取用于数控改造滚珠丝杠副FFZL3206LH-3，其额定动载荷是10689N，所以强度足够用。
效率计算：
根据《机械原理》的公式。
丝杠螺母的传动效率，η为
η＝tanγ/tan（γ+φ）
式中摩擦角φ=10′,螺旋升角γ=3°25′.
η=tan3°25′/tan（3°25′+10′）=0.953
刚度验算：
滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量
ΔL1=±PL0/EF
式中：
L0=6mm=0.6cm；E=20.6X166N／cm2。
滚珠丝杠截面积
F=3.14X（d/2）=（2.8031）2X3．14mm2
则ΔL1=±PL0/EF=±（1250.8X0.6/20.6X106X（2.8031/2）2X3.14）
=±5.9X10-6cm
滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量ΔL2很小，可忽略，即：
ΔL1.所以导程变形总误差厶为
Δ=ΔLX100/L0=（100/0.6X5.9X10-6）=9.8μm/m
查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15μm/m，故刚度足够。
稳定性验算：
由于机床原丝杠直径声30mm，现选用的滚珠丝杠
直径为声32mm，支承方式不变，所以稳定性不存在问题。
（3）齿轮及转矩的有关计算。
有关齿轮计算：
传动比为
i=φL0/360δp=0.75X6/360X0.01=1.25
故取Z1=32Z2=40
m=2mmb=20mmа=20°
d1=mz=2X32mm=64mm
d2=mz2=2X40mm=80mm
da1=d1+2ha=68mm
da2=d2+2ha=84mm
a=（d1+d2）/2=（64+80）/2=72mm
转动惯量计算：
工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量
J1=（180p/3.14φ）2W=（180X0.01/3.14X0.75）2X80=0.468kg.cm2
丝杠的转动惯量
JS=7.8X10-4D4L1=7.8X10-4X3.24X140.3=11.475kg.cm2
齿轮的转动惯量
J21=7.8X10-4X6.44X2=2.617kg.cm2
J22=7.8X10-4X84X2=6.39kg.cm2
电动机转动惯量很小可忽略
因此,总的转动惯量:
J=1/i2（JS+J22）+J21+J1
=1/1.252（11.475+6.39）+2.617+0.463
＝14.519kg.cm2
所需转动力矩计算：
快速空载起动时所需力矩
M＝Mamax+Mf+M0
最大切削负载时所需力矩
M＝Matf+Mf+M0+Mi
快速进给时所需力矩
M＝Mf+M0
式中Mamax一——空载起动时折算到电动机轴上的加速度力矩；
Mf——折算到电动机轴上的摩擦力矩；
M。
——由于丝杠预紧所引起，折算到电动机轴上的附加摩擦力矩；
Mat——切削时折算到电动机轴上的加速度力矩；
Mi——折算到电动机轴上的切削负载力矩。
Ma=10-4Jn/9.6T
当n=nmax时，Mamax=Ma。
nmax=vmaxi/L。
=200X1.25/6
=416.7r/min
Mamax=14.519X416.7X10-4/9.6X0.025
=2.52N.m
ni=n0if1/L=1000X100X0.3X1.25/3.14X80X6=24.88r/min
Mat=14.519X24.88X10-4/2X3.14X0.8X1.25=0.1505N.m
Mf=F0L0/2X3.14Xη2=fWL。
/2X3.14Xηi
当η=0.8f=0.16则
Mf=0.16X80X0.6/2X3.14X0.8X1.25=12.23N.cm
M0=P0L0（1-η02）/2X3.14Xηi
当η0=0.9时，预加载荷P0=FX/3，则
M0=FXL0（1-η02）/6.X3.14Xηi
=76.38X0.6X（1-0.92）/6X3.14X0.8X1.25
=4.62N.cm
Mi=FxL0/2X3.14Xη2
=76.38X0.6/2X3.14X0.8X1.25=72.97N.cm
所以，快速空载起动所需力矩
M＝Mamax+Mf+M0
=（25.72+1.223+0.462）
=274.05N.cm
切削时所需力矩
M＝Mat+Mf+M0+Mi
=（1.536+1.223+0.462+7.297）
=105.18N.cm
快速进给时所需力矩
M＝Mf+M0
=（1.223+0.462）
=16.85N.cm
由以上分析计算可知：
所需最大力矩Mmax发生在快速起动时
Mmax=274.05N.cm
2.2.3横向进给机构的改造
（1）横向进给运动是由伺服电动机带轮齿数均为24的同步带传动通过安全离合器直接驱动有预加载荷的滚珠丝杠，将旋转运动转变为十字溜板的横向（X向）运动。
（2）保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。
济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。
步进电机安装在床鞍上，用法兰盘或联接套将步进电动机的机床床鞍联接起来，以保证其同轴度，提高传动精度
2.2.4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，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。
已知条件是
工作台重：
W=300N
时间常数：
T=25ms
滚珠丝杠基本导程：
L0=4mm左旋
行程：
S=190mm
脉冲当量：
δP=0.005mm/step
步距角：
а＝0.75°/step
快速进给速度：
Vmax＝1m/min
切削力计算。
横向进给量为纵向的1/2~1/3，取1/2，则切削力约为纵向的1/2。
Fz=1/2X152.76=763.8N
在切断工件时
FY=0.5Fz=0.5X76.38=381.9N
滚珠丝杠设计计算。
强度计算：
对于燕尾形导轨
P=KFY+f（FZ+W）
取K=1.4f=0.2
则
P=（1.4X38.19+0.2（76.38+30））
=747.4N
强度计算寿命值
L1=60n1T1/106
=60X15X15000/106
=13.5
最大动负载
Q=L1/3PfwfHP=13.51/3X12X1X74.74=2135.5N
根据最大动载荷Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。
例如，滚珠丝杠可以参照汉江机床的产品样本选取FC1B系列，滚珠丝杠公称直径为Ф20mm，型号为FC1B20X4-5-E左，其额定动负荷为5393N,
所以强度足够用。
效率计算：
螺旋升角γ=3°38′.摩擦角φ=10′则传动效率
η＝tanγ/tan（γ+φ）＝tan3°38′/tan（3°38′.+10′）
＝0.956
刚度验算：
滚珠丝杠受工作负载P引起的导程变化量
ΔL1=±PL0/EF＝（±74.74x10x0.4x4/3.14X20.6X106X1.76192）
=±5.96X10-8cm
滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量ΔL2很少，可忽略，
即ΔL＝ΔL1
所以，导程变形总误差为
Δ＝100ΔL/L0＝5.96x10-6x100/0.4
＝14.9μm/m
查表知E级精度丝杠的允许的螺距误差（1m长）为15μm/m
故刚度足够
稳定性验算：
由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支撑方式由原来一端固定，一端悬空，变为一端固定，一端径向支撑，所以稳定性增强，故不再验算
齿轮及转矩的有关计算。
有关齿轮计算：
传动比为
i=φL0/360δp=0.75X4/360X0.005=1.67
故取Z1=18Z2=30
m=2mmb=
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