C6140型普通车床改造数控机床正文

1、C6140 普通车床改造数控正文第一章 设计方案的确定C6140型普通车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大的普通型车床。经过大量实践 证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是技术都是确实可行了。一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的数控车床，同时具有数控控制和 原机床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。本设计主要是对 C6140普通型车床进行数控改造，用微机对纵、横进给系统进行控制。系统可采用开环控制和闭环控制，开环控制虽然有不稳定、振动等缺点，但其成本较低，经济性较好，车床本身所进行 的加工尺寸是粗、半精加工。驱动原件采用步进电动机。系

2、统传动主要有：滑动丝杠螺母传动和滚珠丝杠 螺母传动两种，经比较分析：前者传动效率及精度较低，后者精度和效率高，但成本高，考虑对车床的性 能要求，故采用滚珠丝杠螺母传动。刀架性能要求是准确快速的换刀，因此采用自动转位刀架。一 总体设计方案的确定由于是对车床进行数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用前提下，对同床的改动 尽可能少，以降低成本。根据这一原则，决定数控系统采用开环控制；传动系统采用滚珠丝杠螺母传动； 驱动元件采用步进电动机；数控系统采用JWK型系统；刀架采用自动转位刀架。这样车床既保留原有功能,又减少了改造数量。二 机械部分的改造设计与计算将普通车床改造成数控机床，除了增

3、加控制系统外，机械部分也应进行相应的改造，其中包括：纵向 和横向进给系统的设计选型，以及自动转位刀架的选型。（一）纵向进给系统的设计选型1、经济数控车床的改造，采用步进电动驱动纵向进给，有两种方案：一种是步进电机驱动丝杠螺母固 定在溜板箱上；第二种是纵丝杠固定、电机安装在溜板箱上，驱动螺母传动。对于车床的改造而言，采用 第一种方案显然简单易行。所以步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。从改装方便，实用等方面考虑， 所以将步进电机放在丝杠的左端。2、纵向进给系统的设计计算，已知条件：工作台重量： W=80kgf=800N时间常量： T=25ms行 程： s=640mm步 驱 角： 2=0.75

4、o/step快速进给速度： Vmax=2m/ms脉冲当量： 8p=0.01mm/8tep（ 1 ）切削力的计算由机床设计手册得公式 No=Nd n（公式一）其中 N O 为传动件的额定功率Nd主电机的额定功率，见使用说明书得：Nd=4.5 kwn 从电机到所计算的传动轴的传动效率（不含轴承的效率）从电机到传动轴经过皮带轮和齿轮两种传动件传动，所以n =niX n2由机床设计手册得ni =0.96 n2=0.99所以：n =0.96 X 0.99=0.9504取 n =0.95n 即 N=4X 0.95=3.8（ kw）又因为主传动系统效率一般为0.60.7之间，所以取0.65所以 N=（进给效

5、率）=3.8 X 0.65=2.47（ kw）FZ xVs由机械加工工艺手册得 Pm=3 X 9.8（公式二）60心0Fz Vs 6120式中Vs 切削速度，设当其为中等转速，工件直径为中等时，女口 D=40mni寸，取 Vs=100m/min主切削力6120 2.47 Fz =100=151.164 (Rgf) =1511.64N由机床设计手册得主切削力Fz=CFzaXfx X f 血 X kfz（经验公式）CFza f 血 kfz （ 公式三）对于一般切削情况，切削力中的指数xfx - 1?fz=0.75Kfz 02CFZ=188kg/mm =1880MpaF2的计算结果如下：ap（伽）2

6、22333f（伽）0.20.30.40.20.30.4Fz(N)10515241891168122872837为便于计算，所以取Fz=1511.7N,以切削深度ap=2伽 走刀量f=0.3伽为以下计算以此为依据。由机械床设计手册得，在一般外圆车削时，Fx( 0.10.6 ) FZFy (0.15 0.7)Fz取 Fx=0.5 Fz Fy=0.6Fz Fx=0.5 X 1511.7=755.9(N)Fy=0.6 Fz=0.6 X 1511.7=907.0(N)(2)滚珠丝杠的设计计算 由经济型数控机床总设计，综合车床导轨丝杠的轴向力得P=RGx+f( Fz+w)(公式四)其中 R=1.15 ,

7、f =0.15 0.18 取 f =0.16P=1.15 X 755.9+0.16(1511.7+800)=1239.2(N)强度计算寿命值Li =60 niTi10 6(公式五)1000 vfni=D nLo由机床设计手册得(公式六)Ti=15000h,原机床丝杠螺距为 60伽，D=80伽ni=10001000.3=19.9 20(r/min)Li=最大动负806318103 Q=：；： Li Pf wf h(公式七)其中运载系数fw=1.2硬度系数Fh=1Q=3 18 X 1.2 X 1239.2 X 1=3897.1(N)根据最大动力负载荷 Q的值，查表选择滚珠

8、丝杠的型号为 为B级，左旋即型号为 W501 3.5 X 1/B 900 X 1000其额定载荷是3970NW501 3.5 X 1查表得数控车床的纵向精度效率计算根据机械基础得，丝杠螺母副传动效率为tgrtg(r 4)公式八)由机床设计手册得 4 一般为8 12取4=10 即：摩擦角4=10,螺旋升角(中径处)r=3O250d=0.953tg 3 25 tg (325 10 )刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P引起的导程变化量PLo L1 = (公式九)EF其中 Lo=10 mm =1 cmE=20.6 X 106N/cm 2滚珠丝杠横截面积F=( a)n d为滚珠丝杠外径248.5 2=()X

9、 3.1422=18.47(cm )1239 .1 汉1-6则厶 L1=3.256 X 10 3.27um20.6 X106 X18.47查机床设计手册，B级精度丝杠允许的螺距误差(900伽螺丝长度)为 25nm/m，因此，丝杠的刚 度符合要求。即刚度足够。稳定性验算由于原机床杠径为 30现选用的滚珠丝杠为50支承方式不变。所以，稳定性不成问题，无需验算。齿轮及转矩的相关计算此齿轮为普通减速器的齿轮且减速器为一般机器，没有特殊要求，从降低成本，减小结构尺寸和易于取材的原则出发，决定小齿轮选用45钢调质，齿面硬定为217255HBS大齿轮选用45正火，齿面硬度169 217 HBS。O传动比i=

10、2L36089其中2表示步驱角，89表示脉冲当量0.7510i=2.13600.01取齿数 z1=30, Z2=63模数m=2mm,啮合角为20,小齿轮齿宽为 25 m,大齿轮齿宽 20 m。d1=mz仁2X 30=30d2=mz2=2X 63=126da仁m(z1+2)=2 X (30+2)=641 2d d 60126a=932 2齿轮传动精度计算齿轮圆周速度 V30ni 二di6 1043.1460100046 10=4.2(m/s)根据齿轮圆周速度和对噪音的要求确定齿轮精度等级侧隙分别为:小齿轮：8GJ大齿轮：8FL传动惯量的选择工作台质量折算到电机轴上的转动惯量18089 2J1=(

11、) W兀2,180 X0.01、2“=()X 803.140.752=0.467kg.cm丝杠的转动惯量Js=7.8 X 10-4D4L1=7.8 X -4 X (50 伽)4X 14.92=7.26(kg.cm )齿轮的转动惯量-44JZ1=7.8 X 10 X (60 伽)X 2=2.02(kg.-44JZ1=7.8 X 10 X (126 伽)X 2=39.32(kg.由于电机的传动惯量很小，一般可忽略不记 所以总的传动惯量为cm2)cm2)1J 总=一 X (Js+Jz2)+Jz1+J1i21 X (7.26+39.32)+2.022+0.4672.1 2=14.50（kg.=145.

12、0（N.所需转动力矩的计算 快速空载启动时所需力矩M=Mmamx+Mf+M 最大切削负载时所需力矩M=Mat+Mf+M O+Mt 快速进给时所需力矩M=Mf+Mcm 2)cm2)（公式十二）（公式十三）式中MfMMat（公式十四）Mmamx 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩。折算到电机轴上的磨擦力矩。由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 切削时折算到电机轴上的加速度力矩。折算到电机轴上的切削负载力矩。MtJn-4/、 t t. r Ma=X 10(N.m)其中 T=0.0259.6 T当 n=nmax 时，Mamax=Ma公式十五）n max=V max iIo_ 2 m x

13、 210 mm 2000 x 210_400(r/mi n)14 5 x400-4Mamat_x 10 _24.17(kgf.cm)9.6 X 0.025_241.7(N.cm)1000 V fi nt_ DIo10000.32.13.148010_25.08(r/mi n)14 .525 .08-4Mat_x 10 _1.51(kgf.cm)9.6 0.025_15.1(N.cm)Mf_FoL_1WLo2:. i 2二 i当？_0.8 , f _0.16 时,1.213(kg.cm)Mf_ 0.168010 mm23.140.82.1_12.13(kg.cm)MO_ PoLo (1- ?o2

14、)6 - i1当？_0.9时，预加荷Po_ Fx32 2 FxLo (1 - -)75.59 10mm (1-0.9 )MO_66 3.140.92.1_0.40334.03(N.cm)Mt_ fxLo :2二 i75 .59 X123.140.92.1_6.368(kg.cm)_63.68(N.m)所以，快速空载启动所需力矩M快空 _ Mamax+Mf+M=241.7+1.213+4.03_257.86(N.cm)切削时所需力矩M切 _ Mat+ Mf+ M o +Mt_15.1 + 12.13+4.03+63.69_94.95(N.cm)快速进给时所需力矩M 快速 _ Mf+Mo_12.1

15、3+4.03=16.16(N.cm)由以上计算可得所需最大力矩 Mama)发生快速启动时Mamax= M 快速=257.86(N.cm)(二) 横向进给系统的设计与计算(1)横向进给系统的设计经济数控车床改造的横向进给系统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。(2) 横向进给系统的设计计算，已知条件工作台重量：W=30kgf=300N时间常量：T=25ms行 程：s=190mm步驱角：2=0.75度/step脉冲当量：8p=0.005mm/step快速进给速度：Vmax=2m/mi n切

16、削力的计算111 1横向进给量约为纵向的1丄，取-则横向切削约为-纵向切削力23221 小1 Fz= F 纵 z= X 1511.642 2=755.82(N)在切断工件时Fy=0.6 F 纵 z=0.6 X 755.82=453.492(N)(3) 滚珠丝杠的计算 强度的计算对于燕尾型导轨P=Kfy+f (Fz+W)其中，K=1.4 , f =0.2P=1.4 X 453.492+0.2 X (755.82+300)=846.05(N)壬入，+60nTi 60X15X15000寿命值 Li= 66=13.510 10最大动负载Q=3. Li fwfr1p其中fw (运载系数)=1.2fh(硬

17、定系数)=1Q=v13.5 X 1.2 X 1 X 846.05=2417.4(N)根据最大动负载荷的值，可选择滚珠丝杠的型号，其公称直径为35 mm,型号为 W3508-3.5 X 1/B左190X 290, 额定动负载荷为 2520W所以强度够用。 效率计算?=tg (r 4)tgrr (螺纹升角)=3384(磨擦角)=10otg 3 38 *?=0.956tg (338 10 )刚度验算滚珠丝杠受工作负载，P引起的导程变化量O人pL846 .05 X 0.8 L1=- 6EF 20.610 FF= ( - ) 2二其中为滚珠丝杠的外径2342=()22=9.0746: X 3.14 L1

18、 = 846 .050.8= 3.62 X 10-6( cm)620.6109.0746因为滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化化量即导程变化总误差为人 10001000-6 = L= X 3.62 X 10.Lo0.8=4.52(mi n/m)查表知B级精度丝杠允许的螺矩误差(在稳定性验算由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相等，而支承方式由原来的一端固定，一端悬空变为一端一端固 定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。L2很小，可忽略不计，即L=A L1 ,300伽之内)为15um/n，所以刚度足够。齿轮及转矩的相关计算减速器为一般机器，没有什么特殊要求，从降低成本，减小结构、尺寸和易于取材等

19、原则出发，决定 小齿轮选用45钢、调质，齿面硬度为217255HBS大齿轮选用45钢正火、齿面硬度为 16930i =3608 P8 表示步驱角；8P表示脉冲当量0.75 汇 8i=3.333600.05所以，取 Z1=30, Z2=99M=2mm啮合角为 20 小齿轮齿宽为 25mm大齿轮齿宽为 20mmd仁mZ仁2X 30=60d2=mZ2=2X 99=198da仁m(Z1+2)=2 X (30+2)=64 da2=m(Z2+2)=2 X (99+2)=202d. d264 -178a=2齿轮传动精度计算齿轮圆周速度217HBS传动比其中=1292n d.3.1460 1000V=10 4

20、6 二6 104”2(m/s)根据圆周速度和对噪音的要求确定齿轮精度等级及侧隙分别为:小齿轮：8GJ大齿轮：8FL传动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的传动惯量I - 180 8PJ1 = 兀4V _ i180 x 0.05 (3.14 汉 0.75 丿2=0.04378(Kg.cm )30丝杠转动惯量：-4JS=7.8 x 104-44D x L1=7.8 x 10 x 3.5 x 13.32=1.556( kk . cm )齿轮的传动的惯量-4JZ1=7.8 x 10D4x M=7.8X 10-4 x 64x 22 =2.02( kg . cm )4-42D x M=7.8x 10 x(

21、198 伽)x 22 =239.76( kk . cm )由于电机传动惯量很小，可以忽略不计，因此总的转动惯量-4JZ2=7.8 x 101 J= T(JS+JZ2) +J乙 +J1i1 、=-(1.556+239.76 ) +2.022+0.043783.32=24.22( kk . cm )所需转动力矩的计算、_V m ax. in max =L。10003.3412.5( r / min)8J.nmax 丄 24.22 x 412.5Mmax =10109.6 汉T9.6 x 0.025=4.16(N.m)1000 Vfi _ 10001003.30.2二 DL03.14860=43.7

22、9(r/mi n)Mat= J109.6 T24.2243.799.60.02510=0.4419(N.m)Mf=-F2 二 if 1WL02二 i其中，f =0.2n =0.8 时0.2 x30 xO.8Mf=0.2895( kgf .cm)23.143.30.8=0.029 ( N.m)0.029M =(1_2)= 45.350.8(1 -.92)=0.1386 0.0139 ( N.m)Mt= 45.350.82 3.140.83.3=2.19(kgf.cm)沁 0.219 (N.m)所以，快速空载启动时所需转矩M=Mamax+Mf=Mo=4.16+0.029+0.0139=4.2079

23、(N.m)切削的所需力矩M 切=Mat+Mf+Mo+Mt=0.4419+0.029+0.0139+0.219=0.6938(N.m)快速启动时所需力矩M 快进=Mf+Mo=0.029+0.0139 =0.0429(N.m)即最大转矩发生在快速启动时即Mamax=4.2079(N.m)第二章步进电动机的选择一步进电动机选用原则合理选用步进电机是比较复杂的问题，需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 确的选择。（一） a ,步距角应满足：a mina =式中i传动比amin 系统对步进电机所驱动部件的最小转角（二）精度步进电机的精度可用步距误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意

24、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，所选用的步进电机应满足。 Qmc i Qs式中 Qm步进电机的积累误差。 Qs系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。（三）转距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；启动力矩，一般启动力矩选取为Mq0.3 0.5式中M电机启动力矩Mo 电机静负载力矩在要求在运行频率范围内，电机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机的转动惯量（包含负载 的转动惯量）引起的惯性矩之和。（四）启动频率由于步进电机的启动频率随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

25、 启动频率应满足：fi fopm其中fi 极限启动频率 fopm 要求步进电机最高启动频率二步进电机的选型（一） C6140纵向进给系流步进电机的确定Mq= 取参数为0.40.3 0.5 257.860.4=644.6 （N.m）Mq/Mjm=0.866，所以步进电机为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式。查手册得知: 最大静转矩Mjm为V m ax 2000“、fmax=3333.3 （HZ）608960 X 0.01综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机能满足使用要求。（二） C6140横向进给系流步进电机的确定Mq=104.2079= 105.2( N .cm)0.4

26、0.4电动机选用三相六拍工作方式查手册得Mq/mjm=0.866Mjm=0.866105.2121.5( N .cm)0.866=1.215（N.m）步进电机的最高工作频率V m ax 1000 fmax=3333.3（ H Z ）6089600.005综合考虑，查表选用110BF004型直流步进电机，能够满足使用要求。（三）110BF003型直流步进电机主要技术参数电机型号相数步驱角电压相电流最大转矩最高空载启动率110BF00330.758067.84 ( 80)1500运行频率转子转动惯量线圈电阻分配方式重量外径长度轴径700046.06(4.7)0.37三相六拍611016011参考价

27、原型号350BFG090811（四）110BF004型直流步进电机主要技术参数电机型号相数步驱角电压相电流最大转矩最高空载启动率:110BF00430.753044.9 ( 50)500运行频率转子转动惯量线圈电阻分配方式重量外径长度轴径34.3(3.5)0.76三相六拍5.511011011参考价原型号350BFG09041111第三章经济型数控系统选型用数控机床工工件时，首先应编制零件加工程序。这是数控机床的工作指令。将加工程序输入数控装 置，再由数控装置控制机床主动的变速、启动、停止、进给运动的方向速度和位移量，以及刀具选择交换， 工件装夹和冷却润滑的开关等动作，使刀具与被加工零件以及其

28、它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、 运行轨迹和运行参数进行工作，从而达到加工出符含合要求零件的目的。C6140数控车床改造后联动轴数为二轴联动且传动精度要求比较高，主要有A850CNC系统和JWK两种系统。经过实际比较分析，JWK系统的核心是 MCS-51系列的8031单片微机，其采用ISO国际标准数控代码编 程，能自动完成车削端面、内外圆、倒角等功能，并配有完备的S、T、M功能。该系统尔采用模块化设计，内部有计算机等四种模块。更换维修方便快速。A850CNC系统结构简单，集成度高，工艺先进，性能稳定，可维修性很大。根据实际生产需要，以及数控系统的要求，经过实际比较分析，选用JWK系列。其

29、中又以JWK-15T型系统应用最广、功能较强、操作使用更方便。所以，决定使用JWK-15T型数控系统。JWK-15T主要性能参数如下:生产厂家南京微分电机厂江南机床数控工程公司型号JWK-15T用户容量24K设定单位X=0.005，Z=0.01控制轴数X、Z联动轴数二轴编程尺寸 9999.99快速（X/Z ）向3/6m/minG功能M00- M09 M20- M29 M97M99S功能S01 S04, S05S10T功能T、XT8X步进电机110BF003工作电源220V 10% 50HZ控制精度1步功耗W360环境温度0 40 C相对湿度80% (25 C)外形尺寸（mr）i340 X 40

30、0 X 200系流重量（kg）17第四章 电动刀架的选型 自动转位刀架的设计是普通机床，数控改造的关键。它要求刀架要具有抬起、回转、下降、定位和压 紧这一系功能。尽管其结构复杂，各方面要求不，但它保持了原本床工件最大回转直径的条件下，提供选 用的多把刀的可能性。电动刀架的安装较方便，只要将原车床上的刀架拆下将电动刀架装即可但要注意两点：1） 电动刀台的两侧面应与车床的横向进给方向平行。2） 电动刀台与系统的连线建议如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨 下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在于：避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、冷却 液以及其它杂物磕碰电动刀架系统。综

31、合各方面因素，选用常州武进机床数控设备厂生产的LD4-I 型系列四工位自动刀架。机床型号C6140刀位数4电机功率（ W）120电机转速1400r/min夹紧力1切体尺寸152X 152下刀体尺161X 171LD4-I 型刀架技术指标配车床型号C6140重复定位精度30000 次换刀时间902.9 （秒）1803.4 （秒）2703.9 （秒）第五章编制零件工序及数控程序实例一机床改造参数的选择（一）车床纵向运动由Z向步进电动机控制110BF003型直流步进电动机配套丝杠螺距为 10伽泳冲当量：0.01伽改造后的泳冲当量：0.01伽（二）车床横向运动由X向步时电动机控制110BF003型步进

32、电动机配套丝杠螺距为 8伽脉冲当量：0.05伽改造后的脉冲当量：0.05伽二程序设计（一）数控机床参数及约定脉冲当量：X向（横向）为 0.05伽Z向（纵向）为： 0.01 伽坐标原点为：0点加工起点为：A点安装方法：零件装夹于床头主轴与尾座顶尖之间。采用专用芯轴方式定位。使用方法：专用组合车刀、切刀加工工序说明：此工序为精车加工，零件外部形状尺寸全部成型。零件各部分尺寸预留精车余量0.81.2伽（二）编程参数说明加工编程中以球头车刀圆心与加工起点相重合$ 187外圆处侄角计算，见图一。倒角麹生标计算（图U因为AO=R=2所以 BC=2- 2 X sin45 =0.585784CD=OO=BC/

33、sin45 =0.828OE=1 0.828=0.17202F=03F=2+0.172=2.172见立体图（三）编制程序JWK-15T型数控装置零件加工程序如下:NO10G92X300Z76NO20M03F2.0N030G04X44F400N040G01F80N050G04X38、48F2.0N060G01X42、48F80N070G04F2.0N080G01V4 W4F140N090G03N100 G04F2.0N110V17.52W-22I46.48K-22N120G04N130G01F2.0N140G04X76F100N150G01F2.0N160G021W-8F100N170G02F2.0N180G04V6W-3I6 K0N190G01F2.0F140N200G04P=0.5N210G01X188.98F80N220G04F2.0N230G01V4.344W-2.172F100N240G01G04F2.0N250G04W-28.828F100N260G01X187F80N270G04F2.0N280G01V2W-1F100N290G04F2.0N3