普通车床的数控化改造设计-课程设计

1、一、概述普通车床是金属切削加工中最常见的一类机床，当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向移动和横向移动，车床能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等。借助成形刀具，车床还能加工各种成形回转表面。普通车床刀架纵向、横向的进给运动由主轴的回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杆或丝杠带动溜板箱、纵溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，如果改变参数，则要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动。对普通车床进行数控改造，主要是将纵向和横向进给系统改造为CNC装置控制的，能独立运动的进给伺服系统，将刀架改造成为能自动换刀的回转刀架，这样利用CNC装置，车床就可以按顺序进行切削加工。由

2、于切削参数、切削次序和刀具选择都可以由程序控制和调整，再加上纵向进给和横向进给联动的功能，数控化改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动切削，从而提高生产效率和加工精度，还能适应小批量、多品种负责零件的加工二、总体方案设计总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式、伺服系统的类型计算机以及传动方式的选择等。数控系统的选择。普通车床数控化改造后应具有定位、快速进给、直线查补、圆弧查补、暂停、循环加工和螺纹加工等功能，因此，普通车床数控化改造所选用的数控系统应为连续控制系统。目前，市场上适用于普通车床数控化改造的数控系统较多，如西门子公司的SIEMENS802S型系统、华中

3、数控公司的“世纪星”21/22型系统、广州数控公司的980T型系统等。伺服系统的选择。普通车床数控化改造后一般为经济型数控机床。在保证具有一定加工精度的前提下，从改造的成本考虑，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统采用一步进电动机为驱动装置的开环系统为宜。当然，也可以采用以伺服电动机为驱动装置的半闭环系统。这主要取决于加工精度的要求。功能部件的选择。这主要是滚珠丝杆及其支承方式的选择、电动回转刀架的选择等等。结构设计与电气设计。这主要是纵向进给传动系统、横向进给传动系统的设计和机床导轨的维护，一般采用贴塑导轨以减小摩擦力。机床电气设计包括机床原理图设计和PLC梯形设计等等。在上述方案的基础

4、上，若条件允许，可以进一步对普通车床的主传动系统进行改造，以实现车床主传动系统的自动调速与控制，使加工过程实现全自动化。三、参数设计将C6140普通车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率：纵向：0.01mm横向：0.005mm。设计参数如下：最大加工直径：630mm最大加工长度：1400mm3快进速度：纵向2.0m/min，横向1.0m/min最大切削进给速度：纵向0.5m/min,横向0.25m/min溜板及刀架重力：纵向1500N，横向1000N主电动机功率：12.5Kw空载启动时

5、间：35ms定位精度：0.015mm四、实施方案进给系统数控化改造的主要部位有：挂轮架、进给箱、溜板箱、刀架等。现拟定一下改造方案。挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主传轴处安装光电脉冲编码器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电动机与齿轮减速箱总成。丝杆、光杆和操纵杆拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠。滚珠丝杠的另一端支承安装在车床尾座端原来装轴承座的部位。溜板箱部分：全部拆除，在原处安装滚珠丝杠的螺母座，丝杆螺母固定在其上，在该处还可以安装部分操纵按钮。横溜板部分：将原横溜板中的滚珠丝杠、螺母拆除，在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副，横向进给步进电动机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠

6、相连。刀架部分：拆除原刀架，在该处安装自动回转四方刀架总成。五、横向进给传动链的设计计算主切削力及其切削分力计算计算主切削力FzZ用经验公式计算主切削力对于车床的主切削力纵切：F=0.67D1.5(N)D车床床身上加工最大直径(mm)maxF=0.67X(630)1.5=10595(N)z计算各切削分力。按比例分别求出分力F和Fxy由F:F:F=1:0.25:0.4F走刀方向的切削力(N)xF垂直走刀方向的切削力(N)F=0.4Fyz=0.4X10595得:F=0.25Fxz=0.25X10595=2649(N)=4328(N)导轨的摩擦力的计算由式(2-8a)计算在切削状态下的导轨摩擦力F。

7、此时，导轨受到的垂向切削分力F=F=10595N，横向切削分力F=F=2649N，移动部件的全部质vZcx量(包括机床夹具和工件的质量)W=1000N,查表2-3得镶条紧固力f二2688N,取导轨动摩擦系数卩=0.15,则gF=卩(w+f+F+F)TOC o 1-5 h z卩gVC=0.15x(1000+2688+10595+2649)N=2540N按式计算在不切削状态下的导轨摩擦力F和F。po0F=p(W+f)=0.15x(1000+2688)N=553.2Np0gF=p(W+f)=0.2x(1000+2688)N=737.6N00g计算滚珠丝螺母副的轴向负载力按式计算最大轴向负载力F。am

8、axF=F+F=4328+2540N=6868NHamaxyp按式计算最小轴向负载力F。aminF=F=390Naminp0确定进给传动链的传动比i和传动级数取步进电动机的不距角a=1.5滚珠丝杠的基本导程L=8mm，进给传动当量05=0.005MM/脉冲，则由式得paL8x1.5i=63605360 x0.005P按最小惯量条件，从图查的该减速器应该采用2级传动，传动比可以分别取i=2,i=3。根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为12z=20,z=40,z=20,z=60，模数m=2，齿宽b=20mm。1234滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算(1)按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷

9、Cam已知数控机床的预期工作时间Lh=15000h，滚珠丝杠的当量载荷F=F=6868N，查表得，载荷系数fw=1.3；查表可得初步选择滚珠丝杠的mamax精度等级为2级精度，去精度系数f=1；查表得可靠性系数f=1.取滚珠丝杠的ac当量转速n=n，已知v=0.25m/min，滚珠丝杠的基本导程Lo=8mm，则mmaxmax1000v1000X0.25max=31.25r/minmaxFf6868x15C二3：60nLm二360 x31.25x15000 xN二31329Nammh100ff1000 x1x1ac按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m根据定位精度和重复定位精度的要求估

10、算允许的滚珠丝杠的最多轴向变形。已知本车床横向进给系统的定位精度为0.015卩m，则由式得8=()x0.015pm=33.75pmmax54取上述计算结果的较小值，即8=3pmmax估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d。2m滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用一端固定.一端游动支撑方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支撑之间的距离为L=行程+安全行程+2X余程+螺母长度+支撑长度=(1.21.4)行程+(2530)L0L=1.4X行程+30L0=(1.4x315+30 x8)mm=681mmFL737.6x681由式得d0.078e=0.078=31.9mm2mV53*max初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号

11、根据以上计算所得的L,C,d和结构的需要，初步选择南京工艺装备公司生产0am2m的FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副，型号为FFZD5008-5，其公称直径d基本导程L，额定动载荷Ca和螺纹底径J如下：002d=50mm,L=8mm00C=34700NC=31329Naamd=44.9mmd=27.9mm22m故满足要求。六、滚珠丝杠螺母副的承载能力校验滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷F的校验C已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径d二44.9mm由图可知滚珠丝杠螺母副的最大受2压长度L=313mm，丝杠水平安装时，取K=1/3，查表得K=2，则由式的112d4144.94F=KK-2x105=_x

12、2xx105=2765702.3Nc12L331321F本车床横向进给系统滚珠丝杆螺母副的轴向最大压缩载荷Amax=6868N,远小于F其临界压缩载荷Fc的值，故满足要求。N滚珠丝杆螺母副的临界转速c的校验由图4-5滚珠丝杆螺母副的临界转速的计算长度L=337mm其弹性模量2E=2.1x105MPa,密度p=7.8x10-5N/mm3,重力加速度g=9.8x103mm/s2g滚珠丝杆的最小惯性矩为TOC o 1-5 h z兀3.14I=-4=x44.94mm4=199404.5mm464264滚珠丝杆的最小截面积为兀3.14A=一-2=x44.92mm2=1582.6mm2 HYPERLINK

13、 l bookmark50 424取K1=0.8，由表2-44得九=3.927，则由式（2-36）得n=K60兰旦=153323r/minc12nLpA本横向进给传动链的滚珠丝杆螺母副的最高转速31.25r/min，远小于其临界转速，故满足要求滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验查附录A表A-3得滚珠丝杆的额定动载荷Ca=34700N，已知其横向载荷FFanAmax=6868N，滚珠丝杆的转速n=ma.r31.25r/min，运动条件系数f=1.2，则由式2-37式2-38得w(C、3L=a-x106Ff丿aw/34700丿3、6868x1.2丿x106=7.46x107Lh=蛊=79787本车床数控

14、化改造后，滚珠丝杆螺母副的工作总寿命Lh=39787h=15000h,故满足要求七、计算机械传动系统的刚度1.计算机械传动系统的刚度（1）计算滚珠丝杆的拉压刚度Ks本机床横向进给传动链的丝杆为一端固定、一端游动。丝杆的拉压刚度Ka可按（2-42）计算已知滚珠丝杆的弹性模量E=2.1x105MPa，其底径d2=44.9mm.当其螺母中心至固定端支撑中心的距离a二Ly=313mm时，其螺母副具有最小拉压刚度Ksmin,根据式（2-43a）得血2E4494K=2X103=1.65XX103=1062.8N/pmsmin4L313y当a=Lj=113mm时，其螺母副具有最大拉压刚度Ksmax,根据式（

15、2-43b得d2K=1.65x102=2943.7N/pmsmaxLJ（2）计算滚珠丝杆螺母副支撑轴承的刚度K.bd已知滚动体直径Q=5.953mm，滚动体个数Z=15，轴承的最大轴向工作载荷FFBman=Amax=6868N,则由表2-46得K=2X1.95x3：=2x1.95x*5.95x152x6868=817.2N/pmbQBmax计算滚珠与滚道的接触刚度KcCK=2069N/pm，滚珠丝杆的额定动载荷a=34700N,滚珠丝杆所承受的最大轴向F载荷amax=6868N，则由式（2-46b）得amax(0.1Ca1/3丿=2069X(6868)1/3、0.1x34700丿=2597.1

16、N/pm（4）计算进给系统的综合拉压刚度Ko根据式（2-47a）得进给系统的综合拉压刚度的最大值为1max111111二+=+二0.00195KKK817.22943.72597.1bsmaxc故Kmax=512.8N/pm1Kmin根据式（2-47b）得进给系统的综合拉压刚度的最小为111111+=+=0.00255KKK1062.8817.22597.1sminbc1故Kmin=392.2N/卩m2计算滚珠丝杆螺母副的扭矩刚度K由图4-5得扭矩作用点之间的距离L2=387mm，已知滚珠丝杆的剪切模量G=8.1x104Mpa，滚珠杆的底径二44.9mm,则由式（2-48）=83471.7Nm

17、/rad兀d4G3.14xM4.9x1034x8.1xlOioK=2=032L32x387x10-32八、驱动电动机的选型与计算1.计算折算到电动机轴上的负载惯量（1）计算滚珠丝杠的转动惯量Jt。已知滚珠丝杠的密度p=7.8x10-3kg/cm3，则由式（2-63）得J=Y0.78x10-3D4L；Tjj=1=0.78x10-3x(2.04x10+2.54x36+2.04x12.5)kgcm2=1.38kgcm2（2）计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量J。L已知机床横向进给系统执行部件（既横向溜板及刀架）的总质量m=102.04kg；丝杠轴每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=0.8c

18、m，则由式（2-65）得(0.82、2x3.14丿kgcm2=1.7kgcm2(L2二m=102.04x12兀丿3)计算各齿轮的转动惯量JJz=z=0.78x10-3x44x2kgcm2=0.4kgcm213z=0.78x10-3x84x2kgcm2=6.4kgcm22Jz=0.78x10-3x124x2kgcm2=32.3kgcm2z4（4）由式（2-66）计算加在电动机轴上总负载转动惯量Jd+丄(Ji2Z2+Jz+JL)=0.4+1x(6.4+0.4)+x(32.2+1.38+1.7)kgcm2436=3.08kgcm22计算折算到电动机轴上的负载力矩（1）计算折算到电动机轴上的切削负载力

19、矩Tc已知在切削状态下的轴向负载力矩F二F=6868N,死杠每转一圈，机床执行aamax部件轴向移动的距离L=8mm=0.008m，进给传动系统的传动比i=6，进给传动系统的总传动效率耳二0.85，则由式（2-54）得Nm=1.72NmFL6868x0.008a=2兀ni2x3.14x0.85x6（2）计算折算到电动机轴上的摩擦负载力矩T已知在不切削状态下的轴向负载力（既空载时的导轨摩擦力）F=553.2N，则|10由式（2-55）得TL=2兀ni553.2x0.0082x3.14x0.85x6Nm=0.014Nm3）计算由滚珠丝杠预紧力F产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩p已知滚珠丝杠螺

20、母副的效率耳二0.94，滚珠丝杠螺母副的预紧力F为0pF=1F=1x6868N=2289Np3amax3则由式（2-56）得T二p0（1一耳2）=2289x0.008x（1一0.942）Nm=0.067Nmf2兀耳i02x3.14x0.85x6（4）折算到电动机轴上的负载力矩T的计算。1空载时（快进力矩），由式（2-57a）得T二T+T二0.207NmKJ卩f2切削时（工进力矩），由式（2-57b）得T二T+T二1.787NmGJcf计算折算到电动机轴上的加速力矩Tap根据以上计算结果和表A-5，初选130BF001型反应式步进动机，其转动惯量J=4.6kgcm2，而进给传动系统的负载惯量J=

21、3.08kgcm2；对开环系统,md一般取加速时间t=0.035S。当机床执行部件以最快速度V=1000mm/min运动s时电动机的最高转速为n=1000 x5r/min=833r/minmax6由式（2-59）得2兀inT=max(J+J)=7.68Nmap60 x980tmd4计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩（1）按式（2-61）计算空载启动力矩TqT=T+(T+T)=7.89Nmqap卩/(2)按式(2-57a)计算快进力矩T=T+T=0.207NmKJ卩f按式(2-57b)计算工进力矩T=T+T=1,787NmGJTf5，选择驱动电机的型号（2）选择驱动电机的型号。根据

22、以上计算和表A-5,选择国产130BF001型反应式步进电动机为驱动电动机,其主要技术参数如下：相数，5；步距角，0.75/1.5；最大静转矩，9.31Nm；转动惯量，4.6kg*cm2；最高空载启动频率，3000Hz；运行频率，16000Hz；分配方式，五相五拍；质量，92Kg。（3）确定最大静转矩T。s由表248给出的机械传动系统空载启动力矩T与所需的步进电动机的最大静转矩T的关系可得ps1Tq二0.951Ts1TT=q=8.3Nmsi0.951机械传动系统空载启动力矩T与所需的步进电动机的最大静转矩T的关系为qs2T=-gj=5.96Nms20.3取T和T中的较大者为所需的步进电动机的最

23、大静转矩T,即T=8.3Nm。s1s2Ss本电动机的最大静转矩为9.31Nm，大于Ts=8.3Nm，可以在规定的时间里正常启动，故满足要求。验算惯量匹配。为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量J与伺服电动L机的转动惯量Jm之比一般应满足式，即0.25Jd1Jm因为Jd=308沁0.67，故满足惯量匹配要求。J4.6m九、机械传动系统的动态分析(1)计算丝杠一工作台纵向振动系统的最低固有频率nc滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度K=K=392.2x106N/，机床执行部件的质0minfm量和滚珠丝杠螺母副的质量分别为m，m，滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为m=m+-m，已知m

24、=sd3s102Kg,则1m=m+_m=102.75kgd3s计算扭转震动系统的最低固有频率wnt折算到计算轴上的系统总转动惯量为J=J=(4.6+3.08)x5kgcm2=0.00384kgcm2si已知滚珠丝杠的扭转刚度K=K=83471.7Nm/rads0nts=4662rad/s由以上计算可知，丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率w=1954ncrad/s扭转振动系统的最低固有频率w=4662rad/s都比较高。一般按w=300ntnrad/s的要求来设计机械传动系统的刚度，故满足要求。十、机械传动系统的误差计算与分析1.计算机械传动系统的反向死区A已知进给传动系统的综合拉压刚度的最

25、小值Kmin=392.2XI。6N/mm导轨的静摩擦力F=520N.A=25=4X103=3.76x10-3mm卩Kmin故满足要求。2.计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差10 x103=0.44xlO-3mm5=FI1-kmax01KK丿minmax3.计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差（1）计算由扭矩引起的滚珠丝杠螺母副的变形量0已知负载力矩T=T=207N.mm由图4-5得扭矩作用点之间的距离KJL=387mm丝杠底径d=44.9mm22TL0=7.21x10-32=0.0140d422）由该扭转变形量0引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度，由式250）得5=点=8mm0.03呵十一、确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号1.确定滚珠丝杠螺母副的精度等级.本进给传动系统采用开环控制系统,应满足下列要求:V+e0.8定位精度-5-5）=14.62ym300ppkmaxe+V0.8x!定位精度-5-57=14.62ympupkmax得V=8卩m300pV=6卩m，up取滚珠丝杠螺母副的精度等级为2级，查表2