机械机床毕业设计35CA6140普通车床进行数控改造设计.docx

1、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

2、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。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。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。国内订购新数控机床的交货周期一般较长，

3、往往不能满足生产需要。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

4、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6080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

5、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%，

6、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

7、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

8、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

9、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。1.4 CA6140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

10、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、

11、 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MCS51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

12、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。1.4.2 CPU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

13、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,A0A7低八位接74LS373的输出,A8A12接8031芯片的P2.0P2.4,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,

14、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。1.4.3 I/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PA0PA5为面板上的选择开关;PB0PB7是各种运行的点动控制;PC0PC3发出刀位信号,控制刀架电机回转,到

15、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PA0PA7为Z、X向电机输出驱动脉冲,PB0PB3是键盘扫描输入,PB4PB7的输出是X!Y向的限位控制,PC0PC5是显示器的位选信号,显示器的段选信号由8031的P110P117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

16、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=1200 mm 脉冲当量：=0.018mm/step 步距角：=0.75/ste

17、p 快速进给速度：Vmax=2m/min 加工最大直径：=400 mm 加工最大长度：1000 mm 溜板及力架重力：800N 刀架快段速度：2.4 m/min 最大进给速度：0.6 m/min 主电机功率：7.5KW 起动加速时间：30 ms 机床定位精度0.015 mm2.1.1 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：纵车外圆;由文献可知切削功率Nc=Nk式中：N电动机功率7.5KW主动系统总功率一般为0.60.7 取=0.65K进给系统功率系数：取0.96Nc=NK=7.50.650.96=4.68KW又因Nc=FzV/6120 有Fz=612

18、0Nc/V式中V切削速度取100m/min主切削力Fz=61204.68/100=286.416kgf=2806.88N由参考文献二可知，主切削力Fz=CFzapXFzfYFzkTfz查表:Cfz=188kgf mmXFz=1 YFZ=0.75 KTfz=1则可计算如下表:ap (mm)222333F(mm)0.20.30.40.20.30.4Fz(kgf)112.5152.4189.1168.7228.7283.7当Fz=283.7 kgf时，切削深度ap=3mm，走刀量f=0.4 mm，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=(0.10.6) Fz Fy=(0.150.7)

19、FzFx=0.5 Fz=0.5286.416=143.208 kgf=1403.44 N Fy=0.6 Fz=0.6286.416=171.8496 kgf=1684.1 N横切端面：主切削力Fz（kgf）可取纵切的1/2Fz= Fz1/2=143.208 kgf=1403.44 N取Fx=0.6 Fz=0.6143.208=85.9248 kgf=842.06 NFy=0.5 Fz=0.5143.208=71.604 kgf=701.72 N2.1.3 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

20、验系数综合导轨取K=1.15f滑动导轨摩擦系数0.150.18，取0.16G溜板及力架重力：800 NFm=KFx+f(Fz+ G)=1.151403.44+0.16(2806.88+800)=2191.06 N2 计算最大的负载CC= Fm fwL1/3 其中L=60nT/10 n=1000Vs/L0其中 L0滚珠丝杠导轨。 初选L0=6 mm Vs最大切削力F的进给速度可取最高进给速度的（1/21/3），此外Vs=0.6m/min。 T使用寿命 按15000h f w运转系数。按一般运转取f w=1.21.5。 L寿命以106转为1单位。 N=1000Vs/ L0=10000.60.5/6

21、=50r/min L=60nT/10=605015000/10=45 C= Fm fwL1/3=451/31.22191.06=9352.04 N3 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40，选用型号为FD406123其额定动载荷为163000 N，精度等级E级，强度够用。4 传动效率计算=tg/tg(+) 螺旋升角2 44=tg/ tg(+)= tg2 44/ tg(2 44+10)=0.945 刚度计算：滚珠丝杠受工作负载Fx引起的导程L0的变化量L1= Fm Fm/E F其中：L1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NL

22、0滚珠丝杠的导程（mm）E材料弹性模数对钢E为20.6104（N/ mm2）S滚珠丝杠截面积（内径）（mm2）S=（d/2）2 d=d0+2e-2Rs=36.3789S=（d!/2）2=(36.379/2) 2 3.14=10.38mm其中 Rs=（0.510.56）Pw=1.836e=0.707(Rs-Dw/2)=0.025故L = Fm L0/E F=2191.060.6/20.610610.38=6.142810-6cm滚珠丝杠受扭转引起的导程变化量L2 L2= L0/2+很小，忽略不计。 所以 L=L1+L2=L1=100L / L0=100/0.66.142810-6=10.238m

23、查表知E纹精度丝杠允许误差15m 10.238m15m刚度够稳定性校核： 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ii=L0/360p=0.756/3600.01=1.25L0滚珠丝杠导程 步距角 p脉冲当量故取 Z1=32 Z2=40 m=2mm b=18 =20 d1=mZ1=64mm d2= mZ2=80mm d1=d1+2ha*=68mm d2=84mm df1=d1-2hf=59mm df2=75mm d=d1+d2/2=72mm2 纵向步进电机计算传动惯量的计算（）工

24、作台质量折算到电机轴上的转动惯量J1=(180p/) 2W=（1800.001/3.140.75）280=0.468kgfcm2 （）丝杠转动惯量 J2=7.81044.04150.0=29.95kgcm2()齿轮的转动惯量 J3=7.81046.441.8=2.355kgcm2 J4=7.81048.041.8=5.75kgcm2()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 =22.586kgcm2所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩M起 M起=Mamax+Mf+M0最大切削负载时所需

25、力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt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=Jn/9.6T10-4Nm 当n=nt时，Ma=Mamax nmax =Vmaxi/s=20001.25/6=416.7r/min Mmax=22.586416.7/9.60.02510-4=40.0138kgfcm 当n=nt时，Ma= Mat s-导程6mm nt=nifi/s=10001000.41.25

26、/3.14806=33.17r/min Mat=22.5833.17/9.60.02510-4=0.3112Nm=3.175kgfcm Mf=F0S/2i=fWS/2i 当=0.8，f=0.16时 Mf=0.16800.6/23.140.825=1.223kgfcm M0=P0S/2i(1-02) 0=0.9，预加载荷P0=1/3FX,则 M0=FXS/6i(1-02)=143.2080.6(1-0.92)/63.140.81.25=0.866kgfcm Mt=FXS/2i=143.2080.6/23.140.81.25=13.68kgfcm所以，快速空载启动所需力矩M=Mamax+Mf+M0

27、=40.0138+1.223+0.866=42.10kgfcm切削时所需力矩M=Mat+Mf+M0+M0=3.175+1.223+0.866+13.68=18.95kgfcm快速进给时所需力矩： M= Mf+M0=1.223+0.866=2.089kgfcm从以上数据分析，所需最大力矩Mmax发生在快速启动时。步进电机最高工作效率fmax=Vmax/60p=2000/600.01=3333.3Hz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=48.6kgfcm 查表选用110BF003型直流步进电机，其最大静转矩是 800Ncm=48.6k

28、gfcm该电机在3333.3Hz下启动远达不到所需要的转矩42.1kgfcm，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：p=0.005mm/step步距角：=0.75/step快速进给速度：Vmax=1m/min加工最大直径：210mm刀架快移速度：1.2m/min最大进给速度：0.3m/min主电机功率：7.5kw2.2.1 切削力计算：横

29、向进给量为纵向的1/31/2，取1/2。则切削力约为纵向的1/2 Fz=1/2286.416kgf=143.208kgf在切断工件时Fy=0.6Fz=0.6143.208=85.925kgf Fx=0.5Fz=0.5143.208=71.604kgf2.2.2 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=1.4 f=0.2 则Fm=1.471.604+0.2(143.2+30+285.925)=169.26kgfn=1000Vcs/L0=30r/minX寿命值：L=60ntT/106 则L=60nT/106=603015000/106=27Q=271/3

30、1.2169.26=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25，型号FD255123LH 其额定动载荷为23100N，所以强度足够。2 效率计算螺旋开角r=339 摩擦角 =10=tgr/tg(r+)=tg339/tg(339+10)=0.9563 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+20.020.650.707-20.520.65 =21.96mmL1=PL0/EF其中 L0=5mm E=20.6106N/cm2 F=（d/2）2=3.79cm2 L1=169.259.80.5/20.61063.79 =10.6210-6滚珠丝杠受扭距引起的导称变化量很小，可以忽略，故=L11/ L0=21.3m/m三级精度丝杠允许误差为15m，所以刚度不够，滚珠