車床進給系統(tǒng)的數(shù)控化改造

1、 新鄉(xiāng)學(xué)院2013屆畢業(yè)論文題 目：CA6140車床進給系統(tǒng)的數(shù)控改造姓 名： 李 兵學(xué) 院： 機電學(xué)院專 業(yè)： 機械設(shè)計及其自動化班 級： 09機自本四學(xué) 號： 指導(dǎo)老師： 徐秀芬 2013年 05月03日摘要本文介紹了普通數(shù)控機床中CA6140車床進給系統(tǒng)的設(shè)計改造過程，主要為機械元件的設(shè)計，包括滾珠絲杠、軸承、步進電機、和齒輪傳動比的計算、選擇與應(yīng)用。針對現(xiàn)有常規(guī)CA6140普通車床的缺點提出數(shù)控改裝方案，提高加工精度和擴大機床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。改造后的機車，主運動實現(xiàn)自動變速，縱向、橫向進給系統(tǒng)進行數(shù)控控制，并要求達到縱向最小運動單位為0.01mm每脈沖，橫向最小運動單位0.00

2、5mm每脈沖，刀架要是自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架，要能自動切削螺紋。關(guān)鍵詞：齒輪；進給絲杠；步進電機；改造AbstractThis article concise language had the stress in the introduction ordinary numerical control engine bed the economy numerical control tool machine entered for the design process, mainly for mechanical part design, including ball bearing guide

3、 screw, bearing, stepper motor , and synchronized tooth profile belt computation, choice and application. To remedy the defects of ordinary lather CA6140, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend t

4、he machines usage, and to improve production rate. so the Motorcycle been reformed, the lord exercises realize to change speed automatically. lengthways, horizontal enter to proceed to system the number controls the control, and request to attain lengthways minimum sport unit as 0.01 mm/ pulse, hori

5、zontal minimum sport unit as 0.005 mm/ pulse, knife must be the automatic control a knife which is turning automatically, and it is able to slice the thread automatically. This paper presents the process of designing numerical control reform, and explicitly introduces the design of mechanical and nu

6、merical control system reforms.Key word: numerical control; ball bearing guide screw; stepper motor; reform design目錄序言- 2一、設(shè)計方案的確定-3（一）設(shè)計任務(wù)-3（二）總體設(shè)計方案的確定-3二、機械部分改造與設(shè)計- 4（一）縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算-4（二）橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算-10三、步進電機的選擇-13（一）步進電機選用的基本原則-13（二）步進電機的選擇-14四、機床導(dǎo)軌改造-15五、自動轉(zhuǎn)位刀架的選用-16六、小結(jié)-17七、參考文獻-17序言數(shù)控機床作為機電一體化

7、的典型產(chǎn)品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數(shù)控機床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國作為機床大國，對普通機床數(shù)控化改造不失為一種較好的良策。中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，常希望對原有舊機床進行改造，實現(xiàn)數(shù)控化、自動化。目前機床數(shù)控化改造就是結(jié)合生產(chǎn)實際和我國國情，在滿足實際加工需求的前提下，盡可能降低成本。經(jīng)過大量實踐證明普通機床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟性、實用性和穩(wěn)定性。因此特別適合在生產(chǎn)設(shè)備中普通機床占有較大比重的企業(yè)，適合在生產(chǎn)第一線大

8、面積推廣。數(shù)控機床由機床主體、主軸傳動、伺服進給、數(shù)控裝置、輔助裝置等組成。所以機床數(shù)控化改造的主要內(nèi)容有主軸傳動改造、進給系統(tǒng)改造、加裝數(shù)控裝置等。其中進給系統(tǒng)改造對機床的改動最多，是機床數(shù)控化改造中最重要的環(huán)節(jié)，它直接影響到改造后的機床的加工精度?？梢娺M給系統(tǒng)改造是機床數(shù)控化改造成功的關(guān)鍵所在。本設(shè)計題目主要圍繞機床進給系統(tǒng)的數(shù)控化改造而展開，其改造的機床是針對普通車床。CA6140型車床是一種加工效率高，操作性能好，社會擁有量大的普通車床。實踐證明，把此類車床改造為數(shù)控車床，已經(jīng)得到了良好的經(jīng)濟效果。C6140車床進給系統(tǒng)的數(shù)控化改造主要內(nèi)容如下：普通車床的X軸和Z軸均由同一電機驅(qū)動，走

9、刀運動是經(jīng)進給箱傳動絲杠到溜板箱，獲得不同的工件螺距即Z軸運動；走刀運動是經(jīng)進給箱傳動光桿到溜板箱，獲得不同的進刀量即Z軸運動和X軸運動。車床進給系統(tǒng)數(shù)控化改造要拆除進給箱總成、溜板箱總成，改用進給伺服（或步進）傳動鏈分別代替。具體體現(xiàn)為：Z軸：縱向電機減速箱（或聯(lián)軸器）縱向滾珠絲杠溜板箱，縱向按數(shù)控指令獲得不同的走刀量和螺距。X軸：橫向電機減速箱（或聯(lián)軸器）橫向滾珠絲杠橫滑板，橫向按數(shù)控指令獲得不同的走刀量。改造后整個傳動鏈的傳動精度在保證機床剛性的前提下，與滾珠絲杠副的選擇和布置結(jié)構(gòu)形式、機床導(dǎo)軌的精度情況等有很大的關(guān)系。一、設(shè)計方案的確定（一）設(shè)計任務(wù)本設(shè)計任務(wù)是CA6140型普通車床進

10、行系統(tǒng)數(shù)控化改造。利用微機對縱橫進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，縱向脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，橫向脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架。進給系統(tǒng)的機械改造設(shè)計。根據(jù)機床的運動精度，改動盡量少，且保證加工精度的要求，運動的平穩(wěn)。（二）總體設(shè)計方案的確定考慮到該數(shù)控系統(tǒng)是開環(huán)控制，沒有位置反饋，故進給系統(tǒng)盡可能的要減少中間傳動環(huán)節(jié)。本車床的縱向、橫向兩軸進給系統(tǒng)去掉了原來的進給系統(tǒng)的中間傳動環(huán)節(jié)，直接采用了步進電機減速箱（或聯(lián)軸器）滾珠絲桿的傳動方案。拆除原來的進給箱、絲桿等，增加少量的機械附件，就可安裝步進電機及滾珠絲桿螺母副。二、機械部分

11、改造與設(shè)計（一）縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算1、縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計車床的縱向進給改造設(shè)計一般是步進電機經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架臺左右移動。步進電機的布置，可放在絲杠的任意一端。對車床改造來說，外觀不必象產(chǎn)品設(shè)計要求那么高，而從改造方便、實用方面來考慮，現(xiàn)把步進電機放在縱向絲杠的左端，即進給箱部位。2、縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 已知條件： 工作臺重量： W=85kgf=850N (根據(jù)圖紙粗略計算)時間常數(shù)： T=25ms滾珠絲杠基本導(dǎo)程： L0=6mm行程： S=1130mm脈沖當(dāng)量： p=0.01mm/step步距角： =0.75/step快速進給速度： Vmax=2m/

12、min（1）切削力計算 由實用機床設(shè)計手冊可知：切削功率： Pc=PK 式中 P電機功率，查機床說明書，P=7.5KW 主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.750.85 取=0.8 K進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取K=0.96。則： P才=7.50.80.96=5.76KW又因為： NC= 則： FZ= 式中 v切削線速度，取v=100m/min 所以： FZ =352.512(kgf)=3525.12(N)由金屬切削原理可知：主切削力 FZ=CFz apx Fz fYFz KFz查表得： CFz=188kgf/mm2 XFz=1 YFz=0.75 KFz=1則可計算FZ 如表（1）所示： 表（1） FZ計算結(jié)

13、果ap(mm)222888f(mm)0.20.30.40.20.30.4FZ(N)112515241891168722872837當(dāng)FZ=1520N 時，切削深度ap=2mm, 走刀量f=0.3mm，以此參數(shù)做為下面計算的依據(jù)。從實用機床設(shè)計手冊中可知，在一般外圓車削時： FX =（0.10.6）FZ FZ=(0.150.7) FZ?。?FX=0.5 FZ=0.53525=1762.5N FY=0.6 FZ=0.63525=2115N（2）滾珠絲杠設(shè)計計算滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準化，因此滾珠絲杠副的設(shè)計歸結(jié)為滾珠絲杠副型號的選擇。綜合車床導(dǎo)軌絲杠的軸向力： P=KFX+f(FZ+W)式中 由于使用的

14、是矩形導(dǎo)軌，根據(jù)機床設(shè)計手冊查出K=1.15，f=0.150.18，取為0.16。則： P=1.151762.5+0.16(3525.12+900)=2734.9N強度計算壽命值： L1=所以： n1=取工件直徑： D=80 mm,查表得： T I=15000h（自動控制機床及機床通常的取值）所以： n1=20r/minL1=18最大動負載： Q=運轉(zhuǎn)系數(shù)值表查表?。?運轉(zhuǎn)系數(shù) fw=1.2 硬度系數(shù) fH=1則： Q=2734.91.21=8598.5N根據(jù)最大動負載Q的值和原機床參數(shù)，可選擇滾珠絲杠的型號。例如，滾珠絲杠參照漢江機床廠的產(chǎn)品樣本選取FC1B系列，選擇型號為FC1B3265B

15、 的滾珠絲杠，公稱直徑為32mm，導(dǎo)程為6 mm，滾珠列數(shù)為5列，額定動載荷是10689N，所以強度夠用。效率計算根據(jù)機械原理的公式，絲杠螺母副的傳動效率為： =式中： 摩擦角=10 螺旋升角=325 tg0.0597則： =0.96剛度驗算滾珠絲杠受到工作負載P引起的導(dǎo)程的變化量 L1=式中： L0=6mm=0.6cm E=20.6166N/ cm2。滾珠絲杠截面積： F=()2=（）23.14則： L1=1.310-5滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量L2很小,可忽略,即：L=L1。所以： 導(dǎo)程變形總誤差為 =1.310-5=21.67m/m查表知B級精度絲杠允許的螺距誤差（1m長）為25m/

16、m，故剛度足夠。穩(wěn)定性驗算由于機床原絲杠直徑為32mm，現(xiàn)選用的滾珠絲杠直徑為32 mm，支承方式不變，所以穩(wěn)定性不存在問題。（3）齒輪及轉(zhuǎn)距的有關(guān)計算有關(guān)齒輪計算傳動比：i=1.25故取齒輪齒數(shù)： Z1=32 Z2=40 模數(shù)： m=2mm b=20mm =20 分度圓直徑： d1=m Z1=232=64mm d2= m Z2=240=80mm 齒頂圓直徑： d1 =d1 +2ha*=68mm d2=d2+2ha*=84mm中心距： 同步帶輪XL型，設(shè)計中心距=112mm轉(zhuǎn)動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量：J1=()2W=()290=0.5262=5.26N2絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：JS

17、=7.810-4D4L1 式中： D絲杠的名義直徑，D=3.2cm L1絲杠兩固定端的間距，L1=150cm 則： JS=7.810-43.24150=12.2682=122.68N2齒輪的轉(zhuǎn)動慣量：JS=7.810-4(mz)42則： JZ1=7.810-46.442=2.6172=26.17 N2JZ2=7.810-4842=6.392=63.9 N2電機轉(zhuǎn)動慣量很小可以忽略，因此總的轉(zhuǎn)動慣量：J=(JS+JZ2)+ JZ1+ J1=(12.268+6.39)+2.617+0.526=15.0842=150.84N2所需轉(zhuǎn)動力矩計算快速空載啟動時所需力矩： M=MamaxMfM0最大切削負

18、載時所需力矩： M=MatMfM0Mt快速進給時所需力矩： M= MfM0式中： Mamax 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩； Mf 折算到電機軸上的摩擦力矩； M0 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩； Mat 切削時折算到電機軸上的加速度力矩； Mt 折算到電機軸上的切削負載力矩。Ma=10-4Nm式中：T為時間常數(shù)，T=2510-3S當(dāng)n=nmax時，Mamax =Ma nmax=416.7r/minMamax=10-4=2.619Nm=26.19f當(dāng)n=nt時 Ma=Matnt=24.88r/min Mat=10-4=0.1563Nm=1.563fMf =當(dāng)0=0.

19、8 f=0.16時Mf =1.376f M0 =(1-02)當(dāng)0=0.9時，預(yù)加載荷P0=FxM0=1.066f=10.66NMt=16.839f=168.39 N所以, 快速空載啟動時所需力矩：M=MamaxMfM0=26.191.3761.066=28.632f=286.32N切削時所需力矩：M=MatMfM0Mt=1.5631.3761.06616.839=20.844f= 208.44N快速進給時所需力矩：M= MfM0=1.3761.066=2.442f= 24.42N由以上分析計算可知，所需最大力矩Mmax發(fā)生在快速啟動時：Mmax=28.632f=286.32 N（二）橫向進給系

20、統(tǒng)的設(shè)計和計算1、橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計車床的橫向進給改造設(shè)計比較簡單,一般是步進電機經(jīng)聯(lián)軸器直接驅(qū)動滾珠絲杠,使刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進電機和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。2、橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計和計算由于橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計和計算與縱向類似，所用到的公式不再詳細說明，只計算結(jié)果。已知條件：工作臺重（根據(jù)圖紙粗略計算） W=40f=400N時間常數(shù) T=25ms滾珠絲杠基本導(dǎo)程 L0=4mm 左旋行程 S=330mm脈沖當(dāng)量 p=0.005mm/step步距角 =0.75/ step快速進給速度 vmax=1m/min（1）切削力計算 橫向進給量為縱向

21、的1/21/3，取1/2，則切削力約為縱向的1/2：FZ=0.5352.5=176.25f=1762.5N在切斷工件時：Fy=0.5 FZ=0.5176.25=88.125f=881.25N（2）滾珠絲杠設(shè)計計算強度計算對于燕尾型導(dǎo)軌： P=KFyf(FzW)?。?K=1.4 f=0.2則： P=1.488.1250.2(176.2540)=166.625f=1666.25N取工件直徑： D=80 mm 走刀量：f=0.3mm則： n1=30r/min壽命值： L1=27最大動負載：Q=599.85f=5998.5N根據(jù)最大動負載Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號。例如，滾珠絲杠參照漢江機床廠的產(chǎn)品

22、樣本選取FC1B系列，滾珠絲杠公稱直徑為20，型號為FC1B2045E2左，其額定動負載為8393N，所以強度足夠用。效率計算螺旋升角：=338 摩擦角：=10則傳動效率： =0.956剛度驗算滾珠絲杠截面積：F=()2=（）23.14=2.017cm2滾珠絲杠受工作負載P引起的導(dǎo)程的變化量：L1=1.60410-6滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量L2很小，可忽略，即：L=L1，所以導(dǎo)程變形總誤差為：=查表知E級精度絲杠允許的螺旋誤差（1m長）為15m/m，故剛度足夠。穩(wěn)定性驗算由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定、一端懸空，一端固定，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強，

23、故不再驗算。(3)轉(zhuǎn)矩有關(guān)計算傳動慣量計算由于聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，此不進行計算。工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量：J1=2絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：JS=7.810-4D4L1=7.810-42450=0.6242由于電機轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，此不進行計算。因此，總的轉(zhuǎn)動慣量：J=0.624+0.058=0.6822所需轉(zhuǎn)動力矩計算nmax=Mamax=Nm=0.71fnt=29r/minMat=0.0076 Nm=0.076f當(dāng)0=0.8 f=0.2時：Mf=0.637f=6.37 Nm 當(dāng)0=0.9時：M0=0.44f=4.4 NmMt=7.02f=70.2 Nm所以，快速空載啟動時所

24、需轉(zhuǎn)矩：M=MamaxMfM0=0.710.6370.44=1.787f=17.87N切削時所需力矩： M=MatMfM0Mt=0.0760.6370.447.02=8.173f=81.73N快速進給時所需力矩：M= MfM0=0.6370.44=1.077f=10.77 N從以上計算可知，最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生切削時：Mmax=8.173f=81.73N三、步進電機的選擇（一）步進電機的選擇的基本原則合理選用步進電機是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電機在整個系統(tǒng)中的實際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇。現(xiàn)僅就選用步進電機最基本的原則介紹如下：1、 步距角步距角應(yīng)滿足：式中 i傳動比 min系統(tǒng)對步進電機所驅(qū)

25、動部件的最小轉(zhuǎn)角。2、精度步進電機的精度可用步矩誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值。用積累誤差衡量精度比較實用。所以選用步進電機應(yīng)滿足Qis式中 Q步進電機的積累誤差； s系統(tǒng)對步進電機驅(qū)動部件允許的角度誤差。3、轉(zhuǎn)矩 為了使步進電機正常運行（不失步、不越步），正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮：（1）啟動力矩 一般啟動力矩選取為：Mq式中 Mq電動機啟動力矩； ML0電動機靜負載力矩。根據(jù)步進電機的相數(shù)和拍數(shù)，啟動力矩選取如表（2）所示。Mjm為步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩，是步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的。表(2) 步進電機相數(shù)、拍數(shù)

26、、啟動力矩表運行方式相數(shù)33445566拍數(shù)3648510612Mg /Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866（2）在要求的運行頻率范圍內(nèi)，電動機運行力矩應(yīng)大于電動機的靜載力力矩與電動機轉(zhuǎn)動慣量（包括負載的轉(zhuǎn)動慣量）引起的慣性矩之和。啟動頻率 由于步進電機的啟動頻率隨著負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)滿足：ftfcpm式中 ft極限啟動頻率； fcpm要求步進電機最高啟動頻率。（二）步進電機的選擇 1、縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定Mq = 715.8N為滿足最小步矩要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知：Mq

27、/Mjm=0.866所以步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjm為：Mjm=826.56N步進電機最高工作頻率fmax=Hz綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進電機，能滿足使用要求。2、橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定Mq =N電動機仍選用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjm為：Mjm=N步進電機最高工作頻率fmax=3333.3 Hz為了便于設(shè)計和采購，仍選用110BF003型直流步進電機，能滿足使用要求。四、機床導(dǎo)軌改造臥式車床上的運動部件，如刀架、工作臺都是沿著機床導(dǎo)軌面運動的。導(dǎo)軌就是支承和導(dǎo)向，即支承運動部件并保證運動部件在外力作用下，能準確的沿著一定的

28、方向運動。導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度、精度保持性和低速運動平穩(wěn)性，直接影響機床的加工精度、承載能力和使用性能。數(shù)控機床上，常使用滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小，動靜摩擦系數(shù)接近，因而運動靈活輕便，低速運行時不易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。精度高，但價格貴。經(jīng)濟型數(shù)控一般不使用滾動導(dǎo)軌，尤其是數(shù)控改造，若使用滾動導(dǎo)軌，將太大增加機床床身的改造工作量和改造成本。因此，數(shù)控改造一般仍使用滑動導(dǎo)軌。滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，抗振性強等優(yōu)點。普通機床的導(dǎo)軌一般是鑄鐵或鑄鐵淬火鋼導(dǎo)軌。這種導(dǎo)軌的缺點是靜摩擦系數(shù)大，且動摩擦系數(shù)隨速度的變化而變化，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，影響行動平穩(wěn)性和定位精度，為克服滑動導(dǎo)軌的上述缺點，數(shù)控改造一般是將原機床導(dǎo)軌進行修整后貼塑，使其成為貼塑導(dǎo)軌。貼塑導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小，且動靜摩擦系數(shù)差很小，能防止低速爬行現(xiàn)象；耐磨性、抗咬傷能力強、加工性和化學(xué)性能穩(wěn)定，且 有良好的自潤滑性和抗振性，加工簡單，成本低。目前應(yīng)用較多的聚四氟乙?。≒TEE）貼塑軟帶，如美國生產(chǎn)的TwrciteB和我國生產(chǎn)的TSF軟帶材料，次、此種軟帶厚度為0.8、1.6、3.2等幾種規(guī)格?？紤]承載變形，宜厚度小的規(guī)格，如果考慮到加工余量，選用厚度為1.6為宜。貼塑軟帶粘貼工藝非常簡單，可直接粘結(jié)在原有的滑動導(dǎo)軌面上，不受導(dǎo)軌形式的限制，各種組合形式的滑動導(dǎo)軌均可粘結(jié)。粘結(jié)前按導(dǎo)軌精度要求對金屬導(dǎo)軌面進行加