C6140机床数控化改造.doc

课程设计说明书课程名称： 课程设计 题 目：用CNC改装C6140车床的进给系统学 院： 南昌大学科学技术 系： 机电 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 082班 学 号： 7011208084 学生姓名： 谭辉 起讫日期： 2011.11.292011.12.16 指导教师： 胡庭蔚 职称： 教师 系分管主任： 审核日期： 目 录设计任务书前言1.1概述.1.2控机床的特点及其组成1.3可行性论证1.4改造方案的拟定1.5 课程设计的主要参数1.6 给伺服系统机械部分的设计计算1.7、滚珠丝杆螺母传动副的设计计算及选型1.8、滚球丝杆螺母副的设计计算与选型1.9、关于传动设计计算心得体会.参考文献.致谢.    前 言计算机技术和先进制造技术的发展，推动了机械加工在各方面的变革和进步。典型的数控机床已成为现代加工器械的鲜明代表。考虑到企业的生产效率和投资成本，普通车床的数控化改造将是一个极为有意义的课题。在过去的几十年，虽然金属切削的基本原理变化不大，但随着社会生产力的发展，要求制造业向自动化和精密化方向发展，而刀具材料和电子技术的几部，特别是微电子技术、电子计算机技术的进步，运用到控制系统中，技能帮助机床的自动化又能提高加工精度，这些都要求对旧机床进行改造，另外，在经济方面，用机床的数控改造比更新设备节约50%的资金。再加上市场的原因，由于目前机床市场供给无法满足大量的机床设备的更新要求，因此更显示出机床数控化改造的必要性。数控改造相对于购置机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多的突出优点。由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲面和曲线。而且计算机有很强的记忆和储存能力，可以将输入的程序记忆和储存下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不像新购买的机床不了解加工精度，而改造的机床可以精确的计算出加工能力。另外，数控改造可以充分利用现有地基，还可以根据技术革新发展的速度,及时的提高生产设备的自动化水平。数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上还有先进性同时在应用上臂其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性。而且投入费用低，。由于自投入以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一也为我国传统技术制造技术朝机电一体化方向过渡的主要任务之一。普通车床数控化改造的设计是机电一体化系统课程设计的主要内容，通过综合运用所学的机械、电子、自动控制、计算机等知识，进行一次机电结合的全面训练，已培养学生的独立分析问题、解决问题和进行机电一体化系统初步设计的能力。本人将在3个星期内，在胡廷蔚老师的指导下，对CA6140数控车床进行开环控制纵向进给的改造。1.1、概述整个人类社会的文明史，就是制造技术不断演变和发展的历史。任何国家的制造业都是国民经济的基础产业，也是国民经济的主要来源。没有发达的制造业，就不可能有国家真正的繁荣和强大。制造技术是制造业的技术支柱，是一个国家科技水平、综合国力的重要体现，制造技术的发展是一个国家经济增长的根本动力。而制造业中机床是其基础装备。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大及。的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。 1.2、数控机床的特点及其组成数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点： 1加工精度高，具有稳定的加工质量； 2可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 3加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；4机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）； 5机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；6对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。 数控机床一般由下列几个部分组成： 1主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。 2数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 3驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。 4辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 5编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。1.3、可行性论证根据自动化制造系统，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部分审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行公道的、科学的可行性论证是必要的。    根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的题目分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。1、目标：数控机床要有较高的质量、较高的效率、较低的成本、较低的劳动强度2、  对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的原则是：在满足设计要求的前途下，对机床的改动应尽可能的少，以降低本钱。3、机床的CNC改造要能带来经济效益于此同时降低成本。符合我国的基本国情和需要。4、结论：对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。1.4、改造方案的拟定1、关于主运动（主轴的旋转）保留原有的主运动结构系统、考虑改造成本和周期。缺点：不能实现无极变速。2、关于进给系统：    a将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。b纵向、横向进 给与步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杆传动。3、关于刀架：将手动改为四工自动回转刀架。4、导轨：滚动导轨都采用贴塑导轨。1.5、课程设计的主要技术参数 题目：用CNC技术改造C6140型卧式车床的进给传动系统 最大加工直径（mm）： 400 最大加工长度（mm）：1000 滑板板及刀架重量（N）： 纵向： 900 横向： 600 刀架快移速度（m/min）： 纵向： 2.2 横向： 1.1 最大进给速度（m/min）： 纵向： 0.6 横向： 0.3 定位精度（mm）： +0.025到-0.025 主电机功率（KW）： 5.5 起动加速时间（ms）： 35必须完成的工作量：1、机械结构装配图， A0 1张2、专用零件图（箱体）A1 1张1.6、进给伺服系统机械部分的设计计算1、关于脉冲当量纵向：脉冲当量为0.01mm脉冲横向：脉冲当量为：0.005 mm脉冲2、关于切削力a、经验公式：F=0.67Dmax(1.5次方)=0.67X400（1.5次方）=5360N式中：Dmax-车床最大车削直径（mm） 按下列比例关系求F轴和F径 F主：F轴:F径=1:0.25:0.4=5360:1340:2144得：F轴=1340N 、 F径=2144Nb、根据主电动机的功率计算切削时的切削功率P切=P主*n(主传动系统的总传动效率)式中：P主-主电动机功率 n-主传动系统的总传动效率总传动效率可以取两种第一种n=0.8 另一种n=0.75:根据P切求主轴的扭矩Mn=9550P切/nj(N/m)取n=0.0.75P主=5.5KW n=0.8 P切=5.5X0.75=4.125KWMn=9550P切/nj=9550X4.125/63=625.298（N/m）式中：P切-切削功率 nj-机床主轴的计算转速（r/min）数 据 选 择最大车削直径nj(r/min)D(mm)320801754006321050050280 根据主轴扭矩求住切削力：纵向：F主=2Mn/d X1000=2X625.298/210X1000=5955.219（N）根据比例计算F轴=1488.804X（N）d车床床鞍上的最大车削直径 F径=2382.088（N）：1.7、滚珠丝杆螺母传动副的设计计算及选型a牵引力计算：纵向：Fm=KF轴+f(F主+G)式中：K:导轨实验系数，取K=1.15 F径=切削径向分力（N） f为导轨面上的摩擦系数（贴塑f=0.030.05）取0.03 F主主切削力 F轴切削轴向分力 G移动件重量（N）计算过程 纵向：f=0.03 G=900N Fm=KF轴+f(F主+G)=1.15X1488.804+0.03X(5955.219+900)=1918(N)最大动负载Q的计算公式：Q=fwFm 式中：L丝杆的寿命单位以10的6次方为单位 式中：n丝杆的转速r/min, 式中:Vs最大切削力条件下的进给速度(m/min) 一般Vs取最大进给速度的1/21/3(取12)取Vs=0.4 L。丝杆导成（mm）一般L。=5或6（mm） T丝杠的使用寿命（h）取T=15000hfw丝杆运转系数：取fw=1.2 Fm牵引力计算过程：L。=5，Vs=0.5Vmax(见任务书)，T=15000h, fw=1.2 n=60r/min L=54 所以最大动负载纵向：Q=fwFm= X 1.2 X 1918=8699.502 1.8、滚球丝杆螺母副的设计计算与选型A牵引力B最大动负荷Q计算C初选丝杆副选择最大动负荷W1L3005 丝杆公称直径d。=30，导程L。=5mm,滚珠直径dw=3.175mmD丝杆的刚度验算：先确定两个问题：第一个丝杆的支撑方式。第二个丝杆的长度。纵向：变形的长度，车削长度+400mm (1) 丝杆的拉伸（压缩）变形量（mm）1L=/(FmL。/EA)式中：L单位导程所产生的变形量（mm） Fm丝杆的牵引力（N） L。丝杆的导程（mm） E丝杆材料的弹性模量，E=20.6×104N/mm2 A丝杆的横截面积，按内径计算： A=3.14（d内）2/4，d内=d。1.02dw，式中：d。丝杆的公称外径，dw滚珠的直径计算过程：丝杆总长度的拉伸（压缩）变形量（mm）11=L×L/L。=+/-（FmL/EA）式中：L丝杆受力的总长度d内=d。1.02dw=26.7615mm, A=3.14 X（d内）2/4=3.14 X 26.76152 /4=562.12mm2Fm=1918 N，1=L×L/L。=+/-（FmL/EA）=1918×1400/20.6×10000×562.12=8.989/1000=0.02319 mm（2）丝杆精度等级的选择精度等级共七级：1、2、3、4、5、7、10；常用的15级任意300mm内行程变动量（um）V300P精 度 等 级1234568121623刚度条件：1+ V300P<=定位精度+-0.025算过程如下：0.02319+V300P<=+-0.025得到V300P<=0.0019= 1.9um没有符合要求的精度等级，若初选的丝杆不满足刚性要求，解决方法：A、加粗丝杆这种方法比较笨 一般不采用B、丝杆径预拉伸刚度提高四倍采取丝杆预拉伸使刚度提高四倍1=0.02319/4=0.0058得到V300P<=0.0192=19.2um 所以选四级精度.1.9、关于传动设计计算A、总传动比的确定（n被：n主=z主：z被=传动比）U=360oP /Q。L。式中：P系统的脉冲当量（mm/脉冲）纵向取0.01 Q。步进电机的步距角 0.75o/脉冲 L。丝杠导程（mm）5mmU=360oP/Q。L。=360×0.01/0.75×5=0.96 B、传动比分配采用前大后小的原则分配；由于接近1所以取一级传动C、齿轮间隙的消除方法：心得体会本次的课程设计题目是CNC改装C6140车床的传动系统，在此过程中我不仅运用了以前所学的各个学科方面的知识，而且学到了课本以外的知识。在此次设计过程中遇到了不少问题，也走了不少弯路，通过此次设计实践让我学会虚心求教，细心体察，大胆实践。任何能力都是在实践中积累起来的，都会有一个从不会到会，从不熟练到熟练的过程，人常说“生活是最好的老师”就是说只有在生活实践中不断磨练，才能提高独立思考和解决问题的能力；同时也培养了自己优良的学风、高尚的人生、团结和合作的精神；学会了勤奋、求实的学习态度。 勤奋就是要发奋努力、不畏艰难。唐代思想家韩愈有句名言：业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。优良的学业是辛勤汗水的结晶，成就只有通过刻苦的学习和拼搏才能获得。马克思说过：“在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。”求实就是脚踏实地，求真务实，谦虚谨慎、介骄介躁、对知识的掌握要弄通弄懂，对技术的掌握要严守规范、严谨细致、精益求精。一个人的力量是有限的，团结合作的力量是无穷的，通过对各个设计环节的确定让我明白：一粒沙虽小，但无数粒却能汇成无限的沙漠；水滴虽小，却你汇成辽阔的海洋；你的一个思想、一个方法，他的一个思想和方法，相互交流互换就有了两个思想和方法，当今社会竞争日益激烈，而我们现在就应该学会与他人合作。 当然，在设计实践过程中，我们也收获了快乐、与同学的快乐、与老师的快乐。因为每当自己或自己和同学完成了此次设计时，或多或少有些欣慰，会感到开心，同时和老师的交流也是一种快乐。虽然设计的时间和水平有限，但对我今后的学习有很大帮助。这只是起点，终点离我们还有一定的距离，所以还是需要我们继续努力去走以后的路。而我们要把握好每一次的机会，错过了就再也找不回来了。参考文献                            参考文献1、 张新义主编经济型数控机床系统设计北京：机械工业出版社，19982、 余英良主编机床数控改造设计与实例北京：机械工业出版社，19943、 王贵明主编数控实用技术北京：机械工业出版社，20014、 张建纲、胡大锋主编数控技术武汉：华中科技大学出版社，20005、 张建明主编机电一体华系统控制北京：高等教育出版社，20016、 邓星钟主编机电传动控制武汉：华中科技大学出版社，20017、 王爱玲主编现代数控机床结构与设计北京：兵器工业出版社，19998、 卜云峰主编机械工业及自动化简明设计手册上下册北京：机械工业出版社，19999、 刘跃南主编.机床计算机数控及应用,北京:机械工业出版社,199710、李洪主编.实用机床设计手册.沈阳:辽宁科学技术出版社,199911、李群芳、黄建主编单片机微型计算机也接口技术北京：电子工业出版社，200112、陶晓杰主编.伺服电机用于车床进给系统.制造业自动化，第22期,200013、机床设计手册编写组，机床设计手册（第三册），机械工业出版社，198614、李立强等主编.控车床自动转位刀台设计，制造技术与车床，200015、黄玉美主编.床总体方案的创新设计，设备管理与维修，200016、孙桓等主编.机械原理，高等教育出版社, 199517、机械工程手册.机械工程手册.机械工业出版社,190018、刘淑华.浅谈数控车床主传动系统设计.52668网路博览会.产业频道,200319、杨波.浅谈机床数控改造.e-works,e-works论坛,200120、大连理工大学工程画教研室主编.机械制图.北京:高等教育出版社,1993致 谢本次课程设计的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的帮助和支持。没有他们的帮助和支持，是没有办法独立完成毕业论文的，同窗之间的友谊永远长存。在学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向各位老师表示深深的感谢和崇高的敬意。不积跬步何以至千里，本论文能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。同时我在网上也搜集了不少资料，才使我的毕业论文工作顺利完成。再次向学院的全体老师表示由衷的谢意。