C616型普通车床改造为经济型数控车床

1、C616型普通车床改造为经济型数控车床目录序言 -3一、 设计方案的确定-4（一） 设计任务-4（二） 总体设计方案的确定-4二、机械部分改造与设计-4（一） 纵向进给系统的设计与计算-4（二） 横向进给系统的设计与计算-10三、步进电机的选择-13（一）步进电机选用的基本原则-13（二）步进电机的选择-14四、机床导轨改造-15五、自动转位刀架的选用-16六、经济型数控机床改造时数控系统的选用-17七、典型零件的工艺设计及应用程序的编制-18（一）工艺分析-18（二）工作坐标系的设定-19（三）手动钻孔-19（四）编制加工程序-19小结-21参考文献-22序言毕业设计课题：C616型普通车床

2、改造为经济型数控车床课题简介：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

3、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。一、设计方案的确

4、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。（一） 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。(二)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

5、/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。二、机械部分改造设计与计算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。2 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

6、°/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

7、=0.75 KFz=1则可计算FZ 如表（1）所示： 表（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

8、+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)=1250.8N1) 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FC1B32×6

9、5E2，其额定动载荷是10689N，所以强度足够用。2）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=3)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

10、差（1m长）为15m/m，故刚度足够。4）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)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=722) 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

11、83;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=1

12、4.519·2=145.19N·23）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

13、.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.

14、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·(二)横向进给系统的设计和计算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。2横向进给系统的设计和计算由于横向进给系统的设计

15、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(1)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(2)滚珠丝杠设计计算1）强度计算：对于燕尾型导轨：P=KFyf

16、(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。2）效率计算：螺旋升角=3°38，摩擦角=10则传动效率=0.9563）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

17、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。4）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。(3)齿轮及转矩有关计算1）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=482)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

18、15;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=1.258·23）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&#

19、183;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

20、·三、步进电机的选择(一) 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：1 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。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。3转矩 为了使步进电机正常运行（不失步、不越步），正常启动

21、并满足对转速的要求，必须考虑：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（2）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(2) 步进电机相数、拍数、启动力矩表运行方式相数33445566拍数3648510612Mg /Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.8662）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。3 启动频率 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

22、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。（二）步进电机的选择 1C616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 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

23、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。四、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。导轨就是支承和导向，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精度、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

24、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，

25、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。五、自动转位刀架的选用自动转位刀架的选用是普通机

26、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。C616适配刀架。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

27、次换刀时间：90° 180° 270°2.9s 3.4s 3.9s六、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：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M00M0

28、9 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七、典型零件的工艺设计及应用程序编制所需加工零件的材料为45号钢，加工零件如下图所示：（一）工艺分析1、该零件分七个工步来完成加工，即先用16的麻花钻来钻孔；再粗车外圆；第三步粗镗孔；第四步精镗内孔；第五步精车外圆；第六步车M30的细牙螺纹（螺距F=0.75）；最后切断。2、较为

29、突出的问题是如何保证38、18和长度50的尺寸公差，长度方向的中间凹槽，粗车、粗车刀的副偏角大于45°，棒料伸出三爪卡盘65mm装夹工件。3、选择01号车刀（副偏角大于45°），02号螺距纹刀、03号内孔镗刀，04号割槽刀共四把刀。4、G73进行外圆粗加工时，单边粗车吃刀量1.75，U=1.75，R是切削次数4次，精车余量0.5mm；G71进行内孔粗加工时，单边粗车吃刀量1mm,U=1,R退刀量的值0.5mm,精车余量0.5mm。（二）工件坐标系的设定 选取工件的右端面的中心点O为工件坐标系的原点。（三）手动钻孔夹好工件，用16的麻花钻手动钻孔，孔深55mm。（四）编制加工

30、程序22 N001 G94G54T1M03S700M08N002 G00Z0X32N003 G01X-1F30N004 G00Z1X30.6N005 G01Z-44F80N006 G00X31Z1N007 G00X27N008 GO1Z-22.4F80N009 G00X28Z1N010 G00X25N011 G01Z-22.4F80N012 G00X26Z1N013 G00X23.9N014 G01Z-20N015 G00Z1X25N016 G00X80Z120M09M05N017 T2M06M08M03N018 G00Z0X24N019 G01X2.5F30N020 G01X23.9 CHF

31、=2N021 G01Z-8F80N022 G01X22Z-9.6 N023 G01Z-19.8N024 G01X24.6N025 G01X27N026 G01X30.5Z-38.4N027 G01Z-44N028 G00X31Z-8 N029 G00X24N030 G01X23.9N031 G01X20.8Z-9.6 N032 G01Z-19.8N033 G02X24.6Z-22.4CR=5.6F50N034 GO1X30.4Z-38.4N035 G01Z-44N036 G00X80Z100M09M05N037 T3M06M08M03N038 G00Z3X23.3N039 G33Z-11K=0.75N040 G00X25N041 G00Z3N042 G00X23.1N043 G33Z-11K=0.75N044 G00X25N045 G00Z3N046 G00X23N047 G3