机电一体化ca6140横向进给系统的数控化改造本科论文.docx
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机电一体化ca6140横向进给系统的数控化改造本科论文
各专业全套优秀毕业设计图纸
西安工业大学
机电一体化课程设计
CA6140横向进给系统的数控化改造
学生：
学号：
110209
专业：
机械设计制造及其自动化
日期：
2014.7.1
摘要
目前大多数企业还有数量众多，而且还有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低，不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。
而把普通机床改装成数控机床不失为一条投资少，提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为机械制造强国的进程中占有一席之地。
数控机床的优点：
具有高度柔性，加工精度高，产品质量稳定、可靠，生产效率高，可加工形状复杂的零件，改善劳动条件，有利于生产管理和机械加工自动化的发展。
在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。
因此，数控机床适用于零件频繁更换的场合。
也就是适合单件、小批生产及新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。
目前机床数控化改造的市场在我国有很大发展空间，用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。
本文以车床的数控改造为例，介绍了机床数控改造的方法，包括其结构的改造设计，性能以及最后改造方案的确定。
关键字：
机床，数控化，改造
一、总体改造方案的确定
1.CA6140普通车床简介
车床基本组成如下图所示：
2.改造内容及要求
本课程设计要求在熟悉CA6140进给机构的基础上，对其进行数控化改造，使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工，由此不但可以提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短。
具体要求如下：
（1）在综合考虑资金投入、车窗性能的基础上，将普通车床的横向进给轴进行数控化改造，确定系统改造方案；
（2）按照系统改造方案，应用提供的设计参数，选择、校核驱动电机、滚珠丝杠和传动齿轮，并对其他相关机械结构进行设计，设计完成时要求绘制出横向轴的装配图，并撰写设计说明书。
注意：
横向结构设计要考虑与CA6140主体的安装问题
3.主要设计参数
滑架重量300N；
直线脉冲当量0.005mm/p；
最大工进速度0.3m/min；
最快移动速度1.0m/min；
工作载荷1000N；
摩擦系数0.1；
横向最大行程400mm；
4.确定改造方案
由于被改装的机床本身的机械结构不是按数控机床的要求设计的，其精度和刚度等性能指标往往不能满足数控机床的要求，因此将普通机床改造为全功能的数控机床，一味追求先进指标则会得不偿失，所以确定总体方案的原则应当是在满足生产需要的前提下，对原机床尽可能减少机械部分的改动量，选择简单易用的数控系统，达到合理的性价比。
本次改造设计要求就是根据这一原则提出的。
根据设计要求、依据设计参数及机床数控改造的理解，总体方案确定如下：
（1）系统的运动方式与伺服系统的选择
由于改造后的经济型数控机床应具有定位、直线插补、顺、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。
（2）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，为保证一定的传动精度和平稳度，尽量减少摩擦量力，选用滚珠丝杠螺母副。
同时，为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。
5.黑箱法
6.功能树
7.形态学矩阵
2、横向进给系统机械传动部分的设计
机床进给系统机械传统部分的设计计算内容包括：
确定进给系统所受的载荷、系统的脉冲当量、运动部件的等效负载转动惯量以及等效负载转矩的计算，滚珠丝杠副的选择、各传动零部件的设计计算、导轨的设计、电机的选择、绘制进给系统机械传动部分的装配图、零件图等。
1.确定系统的脉冲当量
一个进给脉冲使机床运动部件产生的位移量称为脉冲当量，是评价数控加工精度的一个基本技术参数。
设计参数中给出横向是0.005m/p。
2.计算切削力
切削力的计算方法有多种，既可以根据切削用量计算，也可以根据主传动功率计算或根据经验公式计算。
纵切外圆：
根据主传动功率计算法，主切削力
为
式中：
PE——主传动系统的功率（KW）；
——主传动系统的传动效率，通常取0.8；
nj——机床主轴的计算转速（r/min）;
D——在床身上工件的最大回转直径（m）。
对于CA6140普通车床，PE=7.5KW，D=0.4m，nj=50r/min。
所以
主切削力计算出来之后，根据经验公式Fz:
Fx:
Fy=1:
0.25:
0.4，计算出Fx和Fy
横切端面：
横切端面时的主切削力F’z可取纵向切削力的1/2。
此时走刀抗力为F’y,吃刀抗力为F’z.仍按上述比例粗略计算:
3.滚珠丝杠副的选型计算
滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：
确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。
结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：
公称直径d0（丝杠外径d）、导程L、滚珠的工作圈数j、列数K、精度等级等。
滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。
我们在此选用螺旋槽式外循环：
在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，同螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。
为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。
在通孔口设有挡珠器，引导滚珠进入通孔。
挡珠器用圆钢弯成弧形杆，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。
它的优点是：
工艺简单，螺母外径尺寸较小。
缺点是：
螺旋槽同通孔不易连接准确，挡珠器钢性差、耐磨性差。
滚珠丝杠副的预紧方法有：
双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。
本设计采用双螺母螺纹式预紧结构，它通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。
其特点是结构较紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普遍。
横向进给丝杠：
（1）计算进给牵引力
由前可知F’x=1146N,F’y=717N,F’z=2866N
G=300N,f=0.1
丝杠的进给牵引力Fm=KF’x+f（F’y+2F’z+G）
式中：
K——考虑颠复力矩影响的实验系数，取K=1.4；
f——滑动导轨摩擦系数；
G——拖板及刀架部分的重力。
则：
（2）计算最大动载荷
利用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106转）后在它的滚道上不产生点蚀现象。
这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可以用下式计算：
=
=
其中Vs为最大切削力条件下的进给速度，可取最大进给速度的1/2。
根据给定的设计参数，取
初选丝杠的导程L0=5mm，算得
T为使用寿命，L为寿命，按15000h计算得
fw为载荷系数，按一般运转取1.2-1.5，这里取1.2，可得最大动载荷为
（3）滚珠丝杠副的选型
根据计算的丝杠的最大动载荷，查产品样本表，横向滚珠丝杠副选用系列型号3205-3，外径31.2mm，底径28.2mm，公称直径32mm，导程5mm，循环圈数为3X2，额定动载荷为10678N，额定静载荷为29091N。
滚珠丝杠副的额定动载荷大于其最大动载荷，满足承载能力的要求。
（4）传动效率的计算
滚珠丝杠副的传动效率为
式中，γ——螺旋升角；
Φ——摩擦角取10´，滚珠丝杠副的滑动摩擦系数f=0.003-0.004
（5）刚度验算
滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性因此应考虑以下引起轴向变形的因素：
丝杠的拉伸或压缩变形量；滚珠与螺纹滚道间的接触变形；支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形；滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量；和螺母座及轴承支座的变形。
最后一种常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。
因此滚珠丝杠副刚度的验算，主要是前三种变形量。
横向滚珠丝杠副的两端均采用向心推力球轴承，且丝杠进行预拉伸。
最大进给牵引力为2280N，左右支承的中心距离L约为450mm。
丝杠螺母及轴承均进行预紧。
计算如下：
1）丝杠的拉伸或压缩变形量δ1
受丝杠载荷Fm作用引起的导程的变化量ΔL为
式中进给牵引力Fm=2280N；丝杠的导程L0=5mm；钢材料的弹性模量E=20.6X104（N/mm2）；滚珠丝杠的底径截面积为A
由于丝杠采用了预拉伸，其拉压刚度可以提高4倍，故实际变形量为
2）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2
有预紧时
式中，轴向工作载荷Fm=2280N，预紧力Fg=Fm/3=760N，滚珠直径dq=3.175mm，滚珠数Z=32π/dq=31.7，综合考虑后取Z=30,滚珠数量ZΣ=每一圈的滚珠数ZX圈数X列数=30X3X2=180，带入上述表达式得
3）支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3
采用向心推力球轴承
注意，此公式的Fm的单位应为kgf
因施加预紧力，故
根据以上计算可得
查表，刚度满足要求。
4）稳定性校核
根据临界载荷Fc可根据下式计算
式中，E——材料弹性模量，钢为E=20.6X106N/cm2
I——截面惯性矩，
，此处d为丝杠内径
L——丝杠两支承距离L=450mm=45cm
fz——丝杠支承方式系数，fz
=2
故丝杠不会失稳，从几个方面看初选的滚珠丝杠副满足要求。
3、机床进给系统步进电机的设计计算与选择
选用步进电机时，根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况所需的等效力矩，在根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。
1.横向进给减速箱传动比的计算
为使工作台达到1m/min的移动速度，所需丝杠的转速为
若步进电机的步距角为0.75o，为使工作台达到1m/min的速度，所需的电机转速为
因此，为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，在步进电机与丝杠之间采用一级齿轮机构进行降速传动。
设传动比i，初选步进电机的步距角为0.75o，则
可选定齿数为：
Z1=24,Z2=50。
因为进给运动齿轮受力不大，模数取2。
则分度圆直径d分别为d1=mz1=48mm，d2=mz2=100mm，齿顶圆
，齿底圆
。
齿轮的厚度b1=20mm，b2=24mm。
2.负载等效转动惯量的计算
根据传动系统折算电机轴转动惯量的公式可得JΣ如下
式中，JM——步进电机转子转动惯量；
J1，J2——齿轮Z1,Z2的转动惯量；
Js——滚珠丝杠转动惯量。
查产品样本，初选反应式步进电机150BF002，起转子转动惯量JM=10Kg·cm2
圆柱转动惯量
式中，
为钢的密度，7.8X10-3Kg/cm3，L为圆柱体长度（cm），d为圆柱直径（cm）。
带入上式得：
G=300N，g=9.8，L0=0.5cm
所以电机的总转动惯量为
，满足惯量匹配的条件。
3.等效负载转矩的计算
（1）快速空载启动转矩Teq1
在快速空载启动阶段，考虑到传动链的效率，电机的等效负载转矩为
上面已经算出nmmax=417r/min，取启动时间ta=0.1s，η=0.8，带入上式得
折算到电机轴上的摩擦力矩Tf为
附加摩擦力矩T0为
式中，滚珠丝杠预加负载Fy0=Fm/3=2280/3=760N，滚珠丝杠未预紧的传动效率
。
带入上式得
上述三项合计得
（2）最大切削负载时所需力矩Teq2
施加在电机轴上的最大等效负载转矩为
以此作为选择电机的依据。
4.步进电机性能校核
（1）校核启动转矩
产品样本中给出的电机最大静转矩是14N·m，采用5相10拍通电方式。
步进电机的启动转矩Tq为
Tq>Teq,满足要求。
（2）校核运行频率
计算空载运行频率fmax为
计算切削时的运行频率ft为
预选的150BF002型感应式步进电机的空载运行频率是8000Hz，大于所需的运行频率，满足要求。
（3）校核启动频率
根据前面的计算，电机轴上的总转动惯量J=15.317kg·cm2，电机转子的转动惯量是JM=10kg·cm2，查相关书籍可知本电机的空载启动频率是2800Hz。
根据公式，步进电机带惯性负载的最大启动频率fl为
显然满足不了带载直接启动的要求，需要采用升降频控制，以保证电击启动时不产生失步现象。
在完成运动及动力计算后，已经确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机规格型号，以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画出机械装配图。
4、总结
刚开始设计，我先通过图书馆和上网查阅了大量的资料，以全面、深入地了解与自己设计题目相关的知识，并且完成了外文资料的翻译工作。
在此期间我不仅对自己的设计题目有了深入的了解，并在此基础上确定了总体设计方案，而且学会了如何在网上获得自己所需资源。
此后便开始了对伺服系统机械部分的计算与设计。
此过程也就是综合这四年来所学到的知识，选择合适、安全的机械零件，其中设计计算内容主要包括：
确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件图等。
通过这次设计，我对普通车床的改造有了系统性的认识和基础性的把握；熟悉了其设计原理及流程；并对传动系统和伺服系统进行了针对性的学习。
而且使我具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇见的机、电方面技术的能力。
通过设计，培养了我独立思考问题和解决问题的能力。
树立了正确的设计思想，掌握了机电一体化产品设计的基本方法和步骤。
通过设计，使我能熟悉地查找和应用有关参考资料、计算图表、手册、图册和规范，熟悉有关国家标准，以完成一个工程技术人员在机电一Word的操作知识，CAD的操作能力也得到了很大的提高。
在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。
总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。
最后终于做完了有种如释重负的感觉。
此外，还得出一个结论：
知识必须通过应用才能实现其价值！
有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
参考文献
机械工业《机床设计手册》编写组编．机床设计手册．机械工业出版社．1998．
普通CA6140车床的说明书
《机械制造技术基础》主编：
何宁2011年4月第一版
《机械设计》主编：
濮良贵、纪名刚 2006年5月第八版
《机电一体化系统设计》主编：
张建民 2007年7月第三版
《机械设计课程设计图册》主编：
陈秀1989年5月第三版
《机械制图》主编：
张彤 2006年7月第二版
《几何量公差与检测》主编：
甘永立 2010年1月第九版
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