毕业设计（论文）普通车床改造为经济性数控车床.doc

C616型普通车床改造为经济性数控车床【摘要】数控机床是自动化加工必不可少的组成部分，根据我国的国情对旧机床进行数控化改造不失为一条经济有效的途径。我国拥有机床300万台，其中大部分为通用机床，特别是地方中小企业，普通设备拥有量巨大，数控改造的前景相当大，在对C616车床的数控化改造设计中，用单片机作为中央微处理器较好，改造后大大提高了原有机床的自动化程度和生产率，其成本仅为全功能数控车床的1/31/4.【关键词】 数控改装机械车螺纹Model C616 Lathe CNC lathe transformation of economyAbstract：CNC machine tools is an integral part of automated processing, according to China's national conditions on the transformation of the old NC machine tools after all a cost-effective way. With over 3 million units machine tools, most of which common tools, in particular, local SMEs, the amount of ordinary device has huge prospects for transformation of large CNC, CNC lathe in the C616 Modification design, with a single chip micro-processing as a central one shows that after transformation, greatly improved the original machine tool automation and productivity, the cost is only fully functional CNC Lathe 1 / 3 to 1 / 4.Key words：CNC converted machine threading1 序言本课题是围绕将普通机床改造成经济型数控机床展开设计的，经济型数控机床是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行改造，实现数控化、自动化。经济型数控机床系统就是结合现实的的生产实际，结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。价格便宜、性能价格比适中是其最主要的特点，特别适合在设备中占有较大比重的普通车床改造，适合在生产第一线大面积推广。企业应用经济型数控型系统对设备进行改造后，将提高产品加工精度和批量生产的能力，同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竞争能力。利用微机改造现有的普遍车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给加工车床，即经济型数控车床。 进行数控机床的改造是非常有必要的。数控机床可以很好地解决形状复杂、精密、小批量及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产效率，但是数控机床的运用也受到其他条件的限制。如：数控机床价格昂贵，一次性投资巨大等，因此，普通车床的数控改造，大有可为。它适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。 现我选用C616普通车床为例进行数控改造。1.1概述 用数控技术对C616车床进行改装，不仅可提高机床精度，提高生产率，大大减轻工人的劳动强度，减少对工夹具的投资和数量，而且适合我国国情。1.2 C616的机械改装 对C616的机械改装主要在主传动系统、进给系统和刀架部分。  1.2.1主传动系统改装为提高机床的自动化程度，实现在加工过程中自动变速，对原C616主传动系统作如下改装： 取消原变速箱，将主电机换成四速异步电机；保留原主轴箱内的背轮机构。通过微机控制多速电机变速和手动控制背轮机构变速，使主轴获得高、低两档共8级转速，其中每档有四级转速可以在机床加工过程中自动变换。 1.2.2 进给系统的改装 改装后为保证较高的传动精度和传动效率，采用结构简单、步距均匀、连续性好且易于数控的步进电机，经齿轮传动驱动滚珠丝杠实现进给。滚珠丝杠选用单圆弧滚道截面，外循环方式、精度选F级。为了在齿轮传动中消除间隙，实现微量自动补偿以提高传动精度，选用双片薄齿轮调隙、可调拉簧式结构。1.2.3 刀架部分刀架部分是机床的重要功能部件，对其进行改装主要是为了实现多刀夹持，自动转位。将原刀架改为常州武进机床数控设备厂生产的LD4-I型四工位自动刀架。该刀架具有重复定位精度高、刚性好、使用寿命长、工艺性好等特点。  1.2.4主轴脉冲发生器为保证车螺纹时严格的运动关系，在主轴箱上安装GD7072光电脉冲发生器，通过主轴脉冲发生器数控系统步进电机的信息转换系统，实现主轴转一圈，刀架纵向进给一个螺纹导程的车螺纹运动。1.3C616的数控系统 采用南京微分电机厂生产的JWK-15T型数控系统。该系统由TP8031单板机、驱动电源装置及110BF003型、110BC380B型功率步进电机等组成开环控制系统。主要技术特性: 可控制车削端面、内外圆、任意锥面、螺纹、球面以及用球面逼近的任意曲面；有17档进给速度;有直线、圆弧插补功能，程序中可给出一定延时；有自动循环，间隙补偿、程序暂停、点动、报警功能，还具有对自动刀架转位及主轴正、反转、变速、停止等装置的控制功能。2 设计方案的确定C616型车床是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通车床。实践证明，把这种车床改造为数控车床，已经收到了良好的经济效果。2.1设计任务本设计任务是对C616普通车床进行数控改造。利用微机对纵横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0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。2.2总体设计方案的确定由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能减少，以降低成本.根据C616车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为:采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲。经一级齿轮减速后,带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。3 机械部分改造设计与计算3.1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机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。对车床改造来说，外观不必象产品设计要求那么高，而从改造方便、实用方面来考虑，一般把步进电机放在纵向丝杠的右端。3.1.1纵向进给系统的设计计算 已知条件： 工作台重量： W=80kgf=80N(根据图纸粗略计算)时间常数： T=25ms滚珠丝杠基本导程：L0=6mm行程： S=640mm脉冲当量： p=0.01mm/step步距角： =0.75°/step快速进给速度： Vmax=2mm/min（1）切削计算 由机床设计手册可知，切削功率Nc=NK式中 N电机功率，查机床说明书，N=4KW； 主传动系统总效率，一般为0.60.7取=0.65； K进给系统功率系数，取为K=0.96。则： Nc=4×0.65×0.96=2.496KW又因为 NC= FZ=所以 式中 v切削线速度，取v=100m/min。主切削力 FZ =152.76(kgf)=1527.6(N)由金属切削原理可知，主切削力 FZ=CFz apx Fz fYFz KFz查表得： CFz=188kgf/mm21880Mpa XFz=1 YFz=0.75 KFz=1则可计算FZ 如表3.1所示 表3.1 FZ计算结果ap(mm)222888f(mm)0.20.30.40.20.30.4FZ(N)112515241891168722872837当FZ=1520N 时，切削深度ap=2mm, 走刀量f=0.3mm，以此参数做为下面计算的依据。从机床设计手册中可知，在一般外圆车削时： FX =（0.10.6）FZ FZ=(0.150.7) FZ取： FX=0.5 FZ=0.5×1527.6=763.8N FY=0.6 FZ=0.6×1527.6=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=0.150.18，取为0.16。则 P=1.15×763.8+0.16×(1527.6+800)=1250.8N强度计算：寿命值 L1=n1=取工件直径 D=80 mm,查表得T I=15000h则：n1=20r/minL1=18最大动负载 Q=查表得： 运转系数 fw=1.2 硬度系数 fH=1则Q=×1.2×1×1250.8=39933.6N根据最大动负载Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系列，滚珠丝杠直径为32mm,型号为FC1B32×65E2，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，丝杠螺母副的传动效率为： =式中 摩擦角=10螺旋升角=3°25则=刚度验算：滚珠丝杠受到工作负载P引起的导程的变化量 L1=±式中 L0=6mm=0.6cm；E=20.6×166N/ cm2。滚珠丝杠截面积 F=()2=（）2×3.14则 L1=±=±5.9×10-6滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2很小,可忽略,即：L=L1。所以：导程变形总误差为 =×5.9×10-6=9.8m/m查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15m/m，故刚度足够。稳定性验算：由于机床原丝杠直径为30mm，现选用的滚珠丝杠直径为32 mm，支承方式不变，所以稳定性不存在问题。3.1.2齿轮及转距的有关计算(1)有关齿轮计算传动比 i=1.25故取 Z1=32mm Z2=40 m=2mm b=20mm =20° d1=m Z1=2×32=64mm d2= m Z2=2×40=80mm d1 =d1 +2ha*=68mm d2=d2+2ha*=84mm=72转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：J1=()2W=()2×80=0.468·2 =4.68N·2丝杠的转动惯量：JS=7.8×10-4×D4L1=7.8×10-4×3.24×140.3=11.475·2=114.75N·2齿轮的转动惯量：JZ1=7.8×10-4×6.44×2=2.617·2=26.17 N·2JZ2=7.8×10-4×84×2=6.39·2=63.9 N·2电机转动惯量很小可以忽略。因此,总的转动惯量：J=(JS+JZ2)+ JZ1+ J1=(11.475+6.39)+2.617+0.468=14.519·2=145.19N·2（2）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩M=MamaxMfM0最大切削负载时所需力矩 M=MatMfM0Mt快速进给时所需力矩M= MfM0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矩； M0 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩； 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=×10-4N·m当n=nmax时 Mamax =Ma nmax=416.7r/minMamax=×10-4=2.52N·m=25.72f·当n=nt时 Ma=Matnt=24.88r/minMat=×10-4=0.1505N·m=1.536f·Mf =当0=0.8 f=0.16时Mf =1.223f· M0 =(1-02)当0=0.9时预加载荷P0=Fx则：M0=0.462f·=4.62N·Mt=7.297f·=72.97 N·所以, 快速空载启动时所需力矩：M=MamaxMfM0=25.721.2230.462=27.405f·=274.05N·切削时所需力矩：M=MatMfM0Mt=1.5361.2230.4627.297=10.518f·=105.18 N·快速进给时所需力矩：M= MfM0=1.2230.462=1.685f·=16.85 N·由以上分析计算可知：所需最大力矩Mmax发生在快速启动时，Mmax=27.405f·=274.05 N·3.2 横向进给系统的设计和计算3.2.1 横向进给系统的设计经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。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。3.2.2横向进给系统的设计和计算由于横向进给系统的设计和计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算） W=30f=300N时间常数 T=25ms滚珠丝杠基本导程 L0=4 左旋行程 S=190脉冲当量 p=0.005/step步距角 =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1/21/3，取1/2，则切削力约为纵向的1/2FZ=0.5×152.76=76.38f=763.8N在切断工件时：Fy=0.5 FZ=0.5×76.38=38.19f=381.9N滚珠丝杠设计计算强度计算：对于燕尾型导轨：P=KFyf(FzW)取K=1.4 f=0.2则P=1.4×38.190.2(76.3830)=74.74f=747.4N寿命值 L1=13.5最大动负载Q=213.55f=2135.5N根据最大动负载Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系列，滚珠丝杠公称直径为20，型号为FC1B20×45E2左，其额定动负载为5393N，所以强度足够用。效率计算：螺旋升角=3°38，摩擦角=10则传动效率=0.956刚度验算：滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量L1=±=±=±5.96×10-6滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2很小，可忽略，即：L=L1所以导程变形总误差为=查表知E级精度丝杠允许的螺旋误差（1m长）为15m/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，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。齿轮及转矩有关计算有关齿轮计算传动比 i=故取 Z1=18 Z2=30 m =2 b=20 =20° d1=36 d2=20 d1 =40 d1=64 a=48传动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：J1=·2丝杠的转动惯量：JS=7.8×10-4×D4L1=7.8×10-4×24×50=0.624·2齿轮的转动惯量：JZ1=7.8×10-4×3.64×2=0.262·2JZ2=7.8×10-4×64×2=2.022·2电机转动惯量很小可以忽略。因此，总的转动惯量：J=1.258·2所需转动力矩计算nmax=Mamax=N·m=2.23f·nt=33.17r/minMat=0.0174 N·m=0.1775 f·Mf=0.287f·=0.028 N·mM0=0.116f·=0.011 N·mMt=1.824f·=0.182 N·m所以，快速空载启动时所需转矩：M=MamaxMfM0=2.230.2870.116=2.633f·=26.33N·切削时所需力矩：M=MatMfM0Mt=0.17740.2870.1161.824=2.404f·=24.04 N·快速进给时所需力矩：M= MfM0=0.2870.116=0.403f·=4.03 N·从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时，Mmax=2.633f·=26.33 N·。4 步进电机的选择4.1 步进电机的选择的基本原则合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：步距角步距角应满足：式中 i传动比 min系统对步进电机所驱动部件的最小转角。4.2精度步进电机的精度可用步矩误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值。用积累误差衡量精度比较实用。所以选用不进电机应满足Qis式中 Q步进电机的积累误差； s系统对步进电机驱动部件允许的角度误差。4.3转矩 为了使步进电机正常运行（不失步、不越步），正常启动并满足对转速的要求，必须考虑：4.3.1启动力矩 一般启动力矩选取为：Mq式中 Mq电动机启动力矩； ML0电动机静负载力矩。根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表4.1所示。Mjm为步进电机的最大静转矩，是步进电机技术数据中给出的。表4.1 步进电机相数、拍数、启动力矩表运行方式相数33445566拍数3648510612Mg /Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.8664.3.2启动频率在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。 由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：ftfcpm式中 ft极限启动频率； fcpm要求步进电机最高启动频率。4.4步进电机的选择4.4.1 C616纵向进给系统步进电机的确定Mq = 685.125 N·为满足最小步矩要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866所以步进电机最大静转矩Mjm为：Mjm=791.14 N·步进电机最高工作频率fmax=Hz综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。4.4.2 C616横向进给系统步进电机的确定Mq = N·电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866所以，步进电机最大静转矩Mjm为：Mjm= N·步进电机最高工作频率fmax=3333.3 Hz为了便于设计和采购，仍选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。5 机床导轨改造卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床导轨面运动的。导轨就能起到支承和导向，即支承运动部件并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定的方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工承载能力和使用性能。数控机床上，常使用滑动导轨和滚动导轨。滚动导轨摩擦系数小，动静摩擦系数接近，因而运动灵活轻便，低速运行时不易产生爬行现象。精度高，但价格贵。经济型数控一般不使用滚动导轨，尤其是数控改造，若使用滚动导轨，将太大增加机床床身的改造工作量和改造成本。因此，数控改造一般仍使用滑动导轨。滑动导轨具有结构简单，刚性好，抗振性强等优点。普通机床的导轨一般是铸铁铸铁或铸铁淬火钢导轨。这种导轨的缺点是静摩擦系数大，且动摩擦系数随速度的变化而变化，低速时易产生爬行现象，影响行动平稳性和定位精度，为克服滑动导轨的上述缺点，数控改造一般是将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。贴塑导轨摩擦系数小，且动静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、抗咬伤能力强、加工性和化学性能稳定，且 有良好的自润滑性和抗振性，加工简单，成本低。目前应用较多的聚四氟乙稀（PTEE）贴塑软带，如美国生产的TwrciteB和我国生产的TSF软带材料，次、此种软带厚度为0.8、1.6、3.2等几种规格。考虑承载变形，宜厚度小的规格，如果考虑到加工余量，选用厚度为1.6为宜。贴塑软带粘贴工艺非常简单，可直接粘结在原有的滑动导轨面上，不受导轨形式的限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘结。粘结前按导轨精度要求对金属导轨面进行加工修理。根据导轨尺寸长度放大34，切下贴塑软带。金属粘结面与软带结面应清洗干净，用特殊配制的粘合剂粘结，加压固化，待其完全固化后进行修整加工。作为导轨面的表面，根据需要可进行磨、铣、刮研、开油槽、钻孔等加工，以满足装配要求。6 自动转位刀架的选用自动转位刀架的选用是普通机床数控改造机械方面的关键，而由数控系统控制的自动转位刀架，具有重复定位精度高，工件刚性好，性能可靠，使用寿命长以及工艺性能袄等优点。经济型数控车床的自动刀架，在生产中最常用的是常州武进机床数控设备厂生产的系列刀架，具有重复定位精度高，工作刚性好，使用寿命长，工艺性能好等优点达到国内先进水平，在生产中大量使用。现选用常州武进机床数控设备厂生产的LD4工型系列四工位自动刀架。刀架技术参数：刀位数：4电动功率：60W电机转速：1400r/min夹紧力：1t上刀体尺寸：152×152下刀体尺寸：161×171技术指标：重复定位精度：0.005工作可靠性：30000次换刀时间：90° 180° 270°2.9s 3.4s 3.9s7 经济型数控机床改造时数控系统选用数控系统是一台数控机床的核心。对系统的选择在机床数控改造中是至关重要的现从系统的经济性和实用性选择为开环伺服系统为JWK15T。现将该经济性数控系统性能参数列表如下： 表7.1 数控系统性能参数1生产厂家南京微分电机厂江南机床数控工程公司2用户容量24K3设定单位X=0.005 Z=0.014控制轴数X、Z两轴5联动轴数 二轴6编程尺寸±9999.997快速(X/Z)向316/8G功能G00G04 G22G29 G32、G33、G36、G37、G9、G80、G929M功能M00M09 M20M29 M92M9910S功能S01S04 S05S1011T功能T1XT8X12步进电机220V ±10%50HZ13控制精度1步14功耗W36015环境温度040°C16相对温度80%（25°C）17外形尺寸（）340×400×22018系统重量17 kg 8 致谢通过这一阶段的努力，我的毕业论文C616型普通车床改造为经济性数控车床终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在本论文的写作过程中，我的导师陈建刚老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。我将铭记我曾是一名陕理工学子，在今后的工作中把陕理工的优良传统发扬光大。 感谢各位老师的批评指导9 小结三年的大学学习，让我们对机械设计与制造方面的知识有了一个系统而又全新的的认识。毕业设计是我们学习中最后一个重要的实践性环节，是一个综合性较强的设计任务，它为我们以后从事技术工作打下了一个良好的基础，对我们掌握所学知识情况进行了全面而又直观的检测。为了能够较好的完成这次毕业设计，我投入了万分的精力做了充分的准备工作。首先，我先针对毕业课题来考虑，在指导老师的指点和帮助下，对所需的资料进行搜集和整理，根据设计的要求，再对资料做一个简单的归类。其次，依据指导老师给出的设计任务要求，先制定设计的总体方案，按照指导老师要求的设计进度，一步步的完成此次的设计任务。毕业设计虽已结束，但想想我在其中所学到的知识，所遇到的困难，仍记忆犹新。它让我明白了无论是设计新产品，还是改造原先的老产品，都是一个复杂的技术过程，容不得半点含糊。设计人员应先明白设计的目的，了解产品的价值和实用性，其次要对设计的产品进行构思，确定总体方案，查阅资料，最后编写产品的设计说明书，进行绘图。这次的毕业设计培养了我独立设计思考和分析解决问题的能力，拓宽了我的知识面，是一次很好的锻炼机会！感谢指导陈老师和各位同学对我此次毕业设计的指导!10 参 考 文 献【1】 于海生等,微型计算机控制技术,北京：清华大学出版社，1999【2】 刘 坚,机械加工设备,北京：机械工业出版社，2001【3】 戴 曙,金属切削机床,北京：机械工业出版社，1999【4】 张建民,机电一体化系统设计,北京：高等教育出版社，2001【5】 钟约先等,机械系统计算机控制,北京：清华大学出版社，2001【6】 王贵明,数控实用技术,北京：机械工业出版社，2002【7】 中国机械工业教育协会,数控技术,北京：机械工业出版社，2001【8】 王爱玲,现代数控原理及控制系统,北京：国防大学出版社，2002【9】 张毅坤等,单片微型计算机原理及应用,西安：西安电子科技大学出版社，1998【10】 于涛等,数字控制技术与数控机床,北京：中国计量出版社，2004【11】 方建军等,光机电一体化系统设计,北京：化学工业出版社，2003【12】 汪木兰,数控原理与系统,北京：机械工业出版社,2004