C6132A普通卧式车床进行经济型数控改造.doc

1、摘 要在对C6132A普通卧式车床进行经济型数控改造。为了实现把C6132A普通卧式车床改造成经济型数控车床，我针对此车床的主传动系统，X向进给系统进行数控改造，并增加了CNC装置和伺服系统。对进给系统，我把原先的滑动丝杠换成滚珠丝杠，以提高精度和效率，并由原先的手动控制，改造成由电动机控制。通过变频器实现主轴传动和进给机构的无级变速。 通过此次改造，我学会了对相关学科中的基本理论与基本知识进行综合运用，同时，使自己对本专业有较完整的系统的认识，从而达到巩固、扩大、深化所学知识的目的，培养和提高了综合分析问题和解决问题的能力以及培养了科学的研究和创新能力。关键词：C6132A车床 经济型数控改

2、造目 录摘 要1 目 录2 1.引 言32.C6132A车床经济型数控改造具有典型性42.1 普通机床经济型数控化改造的重要性4 2.2数控在改造中的机械部件改造5 2.3数控在改造中的电气部分改造53.机床进给伺服机械部分设计计算73.1总体方案设计7 3.2总体设计方案的确定83.3横向进给系统的设计计算83.4齿轮传动比的计算103.5步进电机的选择104.机械部分结构设计改造194.1主轴脉冲发生器的夹装194.2轴脉冲发生器的安装204.3主轴脉冲发生器的传动联接方式204.4主轴脉冲发生器安装注意事项20 4.5进给伺服系统结构设计注意事项215.编制机床的加工程序23致 谢26文

3、 献271.引 言数控机床是机电一体化的典型产品，虽然，数控车床的发展很迅速，但普通车床在工业生产中仍就占有一定的比重，并发挥着无可替代的作用。科学技术的发展，对机械产品提出了高精度、高复杂性的要求，对机床设备也提出了精度和效率的要求，而且也对其提出了通用性和灵活性的要求。为满足多品种、小批量的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。首先，数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企常是心有余而力不足，目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且被替代下的机床闲着起来又会造成浪费。在国内，订购新数控

4、机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需，通用数控机床对具体生产存在冗余功能。要较好的解决上述问题，要走普通机床经济型数控改造之路。低成本普通车床经济型数控化改造它适合我国的国情，即适合我国的经济水平、教育水平和生产水平。它是一项适合我国实际情况的先进适用技术，也是一项提升我国机床数控化率的有效途径。所以说，本设计实例具有典型性和实用性。 2.C6132A车床经济型数控改造具有典型性2.1 普通机床经济型数控化改造的重要性 数控机床与传统机床的区别：（1）可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确的计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因

5、此可以复合成复杂的曲线或曲面。（2）可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可以比传统机床提高3-7倍。（3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。（4）可以实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。（5）拥有自动报警，自动监控，自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。（6）数控机床能够降低操作人员的劳动强度，节省劳动力，减少工装，缩短新产品调试周期和生产周期，可对市场需求做出快速反应等。数控机床改造一般是对普通机床某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工能力。对现有的普通车床进行改造，主要应该解决的问题是：如何将机械传动的进

6、给和手工控制的刀架转位进给改造成由数控系统控制的刀架自动转位以及自动进给的自动加工车床即经济性数控车床。经济性数控车床，主要依靠两方面来保证和提高被加工零件的精度：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制，所以，数控车床与普通车床相比，应具有更好的精度以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。 2.2数控在改造中的机械部件改造机床数控改造时应尽量达到上述要求，应对主要部件进行相应的改造，使其达到要求，这样才能达到预期的改造目的。不能认为将数控装置与普通机床联系在一起就达到了数控机床的要求。对机械部分的改造主要包括下列

7、部分：（1） 对车床的传动系统进行改造：去掉冗余的齿轮。改动后的齿轮具有消除反向死区误差的功能。（2） 将主轴进行改造，使之能与标准部件KEF250型动力卡盘相配套；同时具有符合数控车床的加工精度。（3） 将带动溜板箱的纵轴丝杠传动更换成滚珠丝杠，用步进电动机驱动；（4） 将移动刀架的横向丝杠传动更换成滚珠丝杠，用步进电动机驱动；（5） 更换原刀架为电动刀架，并选用标准部件相配，使之适应数控机床的需要。改造后的车床，应具有高的静、动态刚度；运动副之间的摩擦因数小；传动无间隙；功率大；便于操作和维修。 2.3数控在改造中的电气部分改造保留原有电气控制主电路，所有输入、输出设备不变。对电气系统作局

8、部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。新的电气系统改造完成后，进行调试以及确定合理的验收标准。改造原则（1）最大限度地满足被控设备或生产过程的控制要求；（2）在满足要求的前提，力求系统简单经济、操作方便；（3）保证控制系统工作安全可靠；（4）考虑今后生产的发展和工艺的改进，在设计容量时，应适当留有进一步扩展的余地。3.机床进给伺服机械部分设计计算3.1总体方案设计3.1.1数控系统运动方式的确定数按系统运动方式可分为点位控制系统、点位直线系统和连续控制系统。3.1.2伺服进给系统的选择伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统开环控制系统。没有反馈电路，不带检测装置，指

9、令信号是单向送的，指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环系统主要由步进电机驱动。闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统的误差。因而伺服控制精度高，闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动。半闭环控制系统与闭环系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元件出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。如果采用半闭环控制，其调试比开环控制要复杂，改造上有其自身的特点，技术难度较大。本设计任务书的要求不高，是经济型数控改造，通常情况下均采用以步进电机驱动的开环控制。这是因为开环控制具有结构简单，

10、改造容易，控制精度较好，容易调试，价格便宜，使用维修方便等优点。经过上述比较，此次伺服进给系统采用开环控制系统。3.1.3执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工件平稳性，在改造机械传动装置时，通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在改造中应考虑以下几点：（1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。可采用滚珠丝杆螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。（2）尽量消除传动间隙。可采用间隙齿轮等。（3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。 3.2总体设计方案的确定 利用微机对纵

11、横进给系统进行开环控制，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。采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。3.3横向进给系统的设计计算3.3.1横向进给系统的设计一般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，提高传动精度。 3.3.2横向进给系统的设计计算已知条件： 工作台质量（根据图纸粗略计算）W=30kgf=300N 时间常数 T=25ms 滚珠丝杠基本导程 L0=4mm左旋行程

12、 S=160mm脉冲当量：mm/step步距角：/step快速进给速度： m/min切削力计算 横向进给量纵向的1/21/3，取1/2则： 切削力约为纵向的1/2在切断工件时 3.3.3 滚珠丝杠设计计算(1)强度计算：对于燕尾型导轨： 导轨车床丝杠的轴向力： 式中K=1.4 =0.150.18取0.2 则N(2)强度计算：寿命值 最大动负载 由运转系数 硬度系数 则QN根据最大动负荷Q的值，可选则滚珠丝杠的型号。所以，滚珠丝杠的型号为：FDM2004-2.5-P33.4齿轮传动比的计算 效率计算：丝杠螺母副的传动效率为： 式中 摩擦角 螺旋升角则 3.5步进电机的选择首先必须保证步进电机的输

13、出转矩大于所负载需的转矩。所以应先计算机械系统的负载转矩，并使用电机的输出转矩有一定余量，以保证可靠运行。通用M/ =0.20.5，为步进电机最大静态转矩，M为负载转矩。其次应使步进电机的步距角与机械系统匹配，以得到机床所需的脉冲当量。最后应使被选电机与机械系统的负载惯量及机床要求的启动频率相匹配，并有一定余量，还应使其最高工作频率能满足机床移动部件快速移动的要求。 3.5.1横向进给步进电机(1)初选步进电机a 计算步进电机负载转矩 =脉冲当量（mm/step）取 =0.005mm/step进给牵引力（N）取 =1890。65N步距角，初选双拍制为电机丝杆的传动效率，为齿轮、轴承、丝杆效率之

14、积，分别为0 98、0.99、0.99和0.94。=N.cmb 算步进电机启动转矩根据负载转矩除以一定的安全系数来估算步进电机启动转矩=/0.30.5 一般纵向进给伺服系统的安全系数取0.30.4= /0.4=279.11/0.4=697.775N.mmc 计算最大静扭矩如取五相十拍，则=0.951 =/0.951=697.775/0.951=733.72N.mmd 计算步进电机运行的频率和最高起动频率 =HZ=HZ式中：最大切削进给速度m/min ， =0.8m/min最大快移速度m/min， =2.4m/min脉冲当量mm/step ， =0.005mm/step e 初步选电机型号(1)

15、根据估算出的最大的静转矩=733.72N.mm，则150BF002最大静扭矩为784N733.72N可以满足要求，150BF002步进电机最高空载起动频率为1500HZ，不能满足=3333HZ的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件开降速程序来解决。(2)核步进电机转矩前面所初步电机的转矩计算，均为估算，初迭之后，应该进行校核计算。效转动惯量计算传动系统计算到电机轴上的总的转动惯量 可由下式计算：=()()步进电机转子转动惯量（）。矢轮Z1Z2的转动惯量（）滚珠丝杆转动惯车（）初步反应式步进电机150BF，其转子转动量=4.7（）对于钢材：=0.78=圆柱体质量kg。圆柱体直径。圆柱体长度或厚

16、度。钢材的密度为7.8（）=0.78=0.78（） =2.62（） =0.78=0.78（） =6.39（）=0.78=1500mm=150cm =45mm=4.5cm（）溜板及刀架重力取1500N.代入公式可得：=()()=4.7+2.62+(6.39+39.952)+ =34.152（）考虑步进电机与传动系统惯车匹配问题： /=4.7/34.152=0.1376满足惯量匹配的要求。电机转矩的计算机床在不同的公况下，其所需转矩是不同的，下面分别按各阶段计算：a.快速进给进所需转矩：=快速空载起动转矩空载起动时计算到电机轴上的加速转矩（N.cm）计算到电机轴上的磨擦转矩。由于丝杆预紧里计算到电

17、机轴上的附加转矩（N.cm）采用丝杠螺母副传动时，上述各种转矩（N.cm）可用下式计算=将前面数据代入式中个符号意义同前=r/min起动加速时间 =25ms传动系统计算到电机轴上的总等数转动惯量 电机最大角加速度电机最大转速运动部件最大快进速度(mm/min)步进电机的步距角运动部件从停止起加速到最大快进速度所需时间（S） 脉冲当量（mm/step）=34.152（）=1000 r/min=548.63 N.cm折算到电机轴上的磨擦转矩=丝杆导程=6mm=0.6cm导轨的磨擦力（N）垂直方向的切削力(N)运动部件的总当量导轨摩擦系数齿轮降速比传动连总效率，一般可取0.70.85，取0.8 则

18、：= N.cm =135.30 N.cm附加摩擦转矩：=滚珠丝杆预加负荷，一般取1/3，为进给牵引力1890.65 =1/3=1098.88N滚珠丝杆导程（cm）： =0.6cm滚珠丝杆未预紧时的传动效率一般取0.9 ，因此取0.92=16.126 N.mm上述三项合计：=+=16.126+135.30+71.49=222.916N.cmb. 快速移动时所需转矩：=+=86.66+9.25=95.91 （N.cm）最大的切削负载时所需转矩：=+折算到电机轴上的切削负载转矩=N.cm从上面计算可知，、和三种工况下，以快进空载起动所需转矩最大，即可以作为校核步进电机转矩的依据当步进电机为五相十拍时

19、，则最大转矩为： N.cm150BF002型步进电机最大转矩为784N.cm，大于所需最大静转矩，可以满足要求。c.校核步进电机起动矩频特性和运行转矩频特性。已计算出机床最大快移时需步进电机的最高起动频率为3333Hz，切削进入时所需步进电机运行频率为1333.3Hz。150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800Hz，运行频率为8000Hz，当步进电机起动时，=2500Hz时，=100N.cm，不能满足此机床所要求的空载起动力矩846.8N.cm。直接使用则会产生失步现象，所以必须采取开降速控制，将起动频率到1000Hz，起动力矩可增高到588.4N.cm，然后电路上再采用高低压

20、驱动电路，可将电机输出转矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，也可以满足。 4机械部分结构设计改造4.1主轴脉冲发生器的夹装主轴脉冲发生器又称光电编码器，在数控车床上加工螺纹或丝杠，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化的信号，输送到数控系统。数控系统按照所需加工的螺距进行计算处理，从而控制机床纵向或横向的步进电机运转，实现加工螺纹的目的。本机床的设计加工螺距如下序列：6mm5mm3.5mm3mm2.5mm2mm1.75mm1.5mm1.25mm1mm0.75mm0.7mm0.6mm0.5mm0.4mm0.35mm0.3mm0.25

21、mm在使用主轴脉冲发生器时，受到步进电机频率的限制。例如采用1000Hz工作频率，加工3mm螺距的螺纹时，步进电机的频率为300Hz，而主轴脉冲发生器的频率为：100060Hz=60000Hz所以车床主轴转速为：n=100060/300=200r/min即车床主轴转速不得超过200r/min。再例如采用2000Hz工作频率，加工3mm螺距的螺纹时，步进电机的频率为300Hz，而主轴脉冲发生器的频率为：200060Hz=120000Hz所以车床主轴转速为：n=200060/300=400r/min即车床主轴转速不得超过400r/min。由此可知，当螺距越大时，允许的车床主轴转速也就越低。 4.2

22、主轴脉冲发生器的安装主轴脉冲发生器可直接安装在主轴的后方，与主轴同轴安装，4.3主轴脉冲发生器的传动联接方式 本设计的传动联接方式为柔性联接，这种联接，在实现角位移传递的同时，又能吸收车床主轴的部分振动，使得仪器运转平稳、传递信号准确。这种柔性联接，是把主轴与主轴脉冲发生器用波纹管或橡胶管等弹性元件联接起来。 4.4主轴脉冲发生器安装注意事项（1）主轴脉冲发生器属于精密光学仪器，安装时应格外小心轻放，不能有较大的冲击和振动以免损坏光栅。（2）任何一种主轴脉冲发生器都有其最高允许转速，车床主轴的最高转速应小于此值。（3）加工螺纹时，将其安上，不使用时将其脱开，以延长其使用寿命。4.5进给伺服系统

23、结构设计注意事项经过计算，已知此纵向进给系统采用150BF002步进电机，经过一对齿轮减速，齿轮系数=32,=40。模数m=2滚珠丝杆公称直径为=32mm。滚珠丝杠螺母副先用的是外循环沟槽式垫片凋隙CDM3206-3-P3。进行结构设计时，注意考虑以下问题：（1）进行改造设计时，将原C6132A车床进给箱挤掉，利用原来的安装基面安装齿轮箱体45 。因而必须注意齿轮箱体螺钉中心距的尺寸，应保证箱的安装螺钉和销钉均在原来的安装基础面上，床尾的轴承座仍要装在原C6132A车床尾部轴承的加面上。（2）为保证滚珠丝杠与导轨平行设计时，应注意使齿轮箱体的丝杠中心，与床尾轴承座中心线距安装基面尺寸一致以保证

24、水平面的丝杠与导轨平行。齿轮箱体在床身上的安装螺钉的位置与车尾轴承座螺钉在床身上的安装位置必须根据床身具体情况确定，以保证在垂直面内丝杆与导轨平行。水平面内的平行度达不到要求可刮研齿轮箱体或床尾轴承座的安装基面，如垂直面内平行度达不到要求，可安装螺钉的过孔进行调整，调好后，插入定位销。（3）保证滚珠丝杠转动平稳，轻快，必须使滚珠丝杆螺母座板定19与丝杠两端支承同轴，设计时，在螺母座与弯板之间设计垫片58，装调时可以修磨垫片来保证螺母座在平面内与两面端支承同轴，垂而直面内的同轴，靠螺钉地过孔来的调整，调好后，打入销钉。（4）在水平面内应使丝杠中心线距轨的距离尽量小，否则将层产生颠复力矩，增大磨擦

25、力，使运动不平稳，利用床身的凹面，使齿轮箱体背面比安装基面突出33mm。就使丝杠中心距安装基面尺寸为42mm。不用此床身的凹入面，因为150BF002型步进电机外圆直径为130，就会使丝杆中心距安装基面尺寸至少为645mm 这样设计是不合理。但是在的设计箱体外形时，必须根据床身的具体形状不可使箱身与床凹入之毛面干涉。（5）步进电机装在箱体左侧，利用短圆柱面中，在箱体上定位，由于是定位面，一定要在图上标注出孔的尺寸及配合。（6）设计中滚珠螺母副采用了垫片调整方式预紧，即用修磨垫片使滚珠丝杠滚珠与两个滚珠螺母挤紧，避免在反向失步：（7）消隙齿轮，是采用两个薄片齿轮，中间开有三个月芽形的槽放入压簧，

26、并用三个内六角螺钉固定，这种消隙齿轮的装配顺序是：首先将双片只轮相对转过一个齿轮，使双片尖轮的齿轮的矢对齐，弹簧受压上紧螺钉装入箱体后，将螺钉松开，弹簧将双片齿轮沿用向错开，消除与齿轮的侧隙，此时财将螺钉上紧，在设计时，箱壁上要留有可进伸入六角搬手孔，弹簧两端用削扁的销子压住。（8）当车床床鞍移动时，滚珠丝杠要受到轴向力，此轴向力由床身前端的两个止推轴承承受，向左的轴向力通过挡圈。止推轴承，挡块，传到齿轮箱体上，向右的轴向力则通螺母，齿轮，径向轴承，轴套，挡圈。到左边的止推轴承，经挡块传到端盖上，此端盖与齿轮箱体用螺钉固连，床尾部分的圆螺母是用来对丝杠进行预拉伸，以增加丝杠的刚度，外侧的圆螺母

27、是锁紧用的，由于旋转螺母进行预拉伸时，端面磨擦力大，故要止推轴承以上减小端面磨擦力。 5编制数控机床加工程序根据如下图1所示，毛坯35的长棒料，要求编制加工程序：图1 螺纹特型轴程序如下：00001 N001 MO3 S600 T0101 N002 GO X22 Z2 N003 G1 X15.8 Z0 F0.5 N004 G1 X19.8 Z-2 F0.1 N005 Z-20 N006 X26 N007 X30 Z-30 N008 Z-40 N009 G02 X30 Z-55 R8.13 N010 G1 Z-75 N011 GO X100 Z100 N012 T0202 N013 G0 X35

28、 Z-20 N014 G1 X16 F0.5 N015 G00 X35 N016 X100 Z100 N017 T0303 N018 G00 X25 Z5 N019 G92 X19 Z-17 F2.5 N020 X18.5 N021 X18 N022 X17.5 N023 X17.2 N024 X17 N025 X16.9 N026 X16.8 N027 X16.8 N028 G0 X100 Z100 N029 M05 N030 M30总结通过这次毕业设计使我收获不少，在系统全面总结以前所学知识的同时，又学到了新的知识。不仅锻炼了思考能力，也提高了总结、归纳、综合运用的能力，是毕业前对所学知识

29、的回顾和检验。在整个设计过程中，需要大量运用所学理论和专业知识，并查阅大量文献资料。普通车床的经济型数控改造让我对数控知识有了更好的了解。有时在计算过程比较复杂，但一旦发现问题所在，只要沉着细心，根据所学知识，解决起来就会有条不紊的完成数控计算。本文从多个角度与方面阐述了普车改造的典型性，以及未来机床的发展方向和未来技术的发展趋势等，通过对这些观点的阐述，使得对旧机床的改造成为一个刻不容缓的问题。致 谢在本次毕业论文的整个过程中，以及毕业论文的写作、修改和定稿过程中，曾经得到了许多老师和同学们的热心帮助，在这里向他们表示最诚挚的谢意。在这里，我要特别提出感谢的是我的指导老师张谦对我的关心和帮助

30、。同时，身边很多同学也给予了我很多不可磨灭的帮助，才使我在规定的时间内顺利完成本次毕业论文。在完成这次毕业论文的过程中，我通过多种途径查找、学习到了很多有关机械方面的知识，尤其是在数控编程这一块，我是机体专业的，在学习方面会较广泛而不精，但是作为一个机械类学生来说，数控、机体应该是不可或缺的学科。而通过这次学习，使我系统的了解到数控编程填补了我在数控方面的不足。我相信，在以后我将在此基础上不断的学习，不懈的努力，提升这方面的知识，并提高自己的实际动手能力。 参 考 文 献 1林其骏.数控技术及应用.北京：机械工业出版社，1995. 2 机床设计手册联合编写组.机床设计手册（第2册）.北京：机械工业出版社，1990. 3 唐增宝、刘元俊主编，机械设计课程设计（修订版）M，华中理工大学出版社 1995年1月 4 机械设计手册编写组编，机床设计手册3M，机械工业出版社 1986年12月5 张新义.经济型数控机床系统设计.北京：机械工业出版社19977.6 石光源、周积义、彭福荫主编机械制图第三版M ，高等教育出版社 ，1988年4月 7 杨俊主.机床数控系统课程设计指导书.北京: 机械工业出版社1991. 25