机械本科论文-CA6140车床数控化改造--刀架纵向进给伺服系统设计

毕业实践论文第1页共19页人才培养模式改革和开放教育试点毕业设计（论文）安徽广播电视大学毕业论文(设计)课题名称CA6140车床数控化改造-----刀架纵向进给伺服系统设计分校名称马鞍山电视（网络）大学年级名称07秋机械制造（本）。专业名称机械制造及自动化。学生姓名章进义，指导教师谢婷，2010年10月20日毕业实践论文第2页共19页CA6140车床数控化改造------刀架纵向进给伺服系统设计目录毕业实践论文第3页共19页目录···················································································2设计内容与要求·······································································3设计参数··················································································4一、浅谈数控改造的目的与意义········································5二、总体方案的设计·································································6三、进给伺服系统机械部分设计与计算·····························83.1进给系统机械结构改造设计··································93.2进给伺服系统机械部分的计算与选型···············93.2.1确定系统的脉冲当量······························93.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号择雨核步骤························································93.2.3纵向滚珠丝杠的校核··································103.3齿轮有关计算························································113.4绘制进给伺服系统的机械装配图························16四步进电动机的计算与选型················································174.1步进电动机选用的基本原则································174.2步进电动机的选择··················································18毕业实践论文第4页共19页设计内容与要求具体设计内容：一、浅谈数控改造的目的与意义二、总体方案的设计（一）伺服系统的拟定：1、伺服系统的选择2、纵向进给机构的改造（二）总体方案的确定（附总体方案装配图）三、纵向进给伺服系统机械部分设计计算----计算纵向进给伺服系统1、确定系统的脉冲当量2、计算切削力3、进行滚珠丝杠螺母副设计，计算，选型。4、齿轮的传动计算5、步进电动机的计算与选用设计参数:毕业实践论文第5页共19页主轴电动机功率7.5KW主轴最高转速1400r/min最低转速10r/min纵向进给量0.028~1.68mm/r快速移动速度6m/min加工最大长度1400mm刀架最大纵向行程1500mm大托板小托板及刀架总重量约900N定位精度±20um/300mm全程±25um重复定位精度±10um丝杠导程10mm一、浅谈数控改造的目的与意义毕业实践论文第6页共19页数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,简化了结构.较好地解决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制：（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；（2）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，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费；（3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。这一工作早在20世纪60年代已经在开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务。目前，国外已发展成为一个新兴产业部门，从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有26%的机床经过数控化改造，中小企业则达74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供数控化改造业务。中国是拥有300多万台机床的国家，其中大部分是多年积累生产的普通机床，自动化程度低。要想在近几年用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金还是中国机床制造厂的能力都是办不到的，因此，普通机床的数控化改造大有可为，它适合中国的经济水平、生产水平和教育水平，已成为中国设备技术改造的主要方向之一。机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。因此，我们必须走数控改造之路。普通车床（如C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装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车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品毕业实践论文第7页共19页种复杂零件的加工。二、总体方案的设计总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选MCS—51系列单片机扩展系统。（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。总体方案设计图如下图（2）所示：进给伺服系统总体方案方框图如图（3）所示：毕业实践论文第8页共19页加工工件形状编程手工输入计算机磁带控制计算机功率放大器车床步进电机变速箱变速箱步进电机工件图（2）数控车床改造的总体方案示意图微机光电隔离光电隔离功率放大功率放大Z向步进电机步进电机X向床鞍及拖板中拖板图（3）经济性数控车床进给伺服系统方案框图毕业实践论文第9页共19页三、进给伺服系统机械部分设计与计算3.1进给系统机械结构改造设计进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。计算简图如下图所示：3.2.1确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技术参数中，要求纵向脉冲当量fp为0.01mm/step。横向脉冲当量为fp=0.005mm/step。3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤（1）最大工作荷载计算滚珠丝杠的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于原普通CA6140车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式3-1计算工作载荷的大小。Fm=KFL+f’(Fv+G)（3-1）毕业实践论文第10页共19页1）车削抗力分析最大切削功率Pq=Pz=7.5×0.8=6KW-----主运动系统总效率一般为0.7~0.85取0.8切削功率应在各种加工情况下经常遇到的最大切削力（或转矩）和最大切削速度来计算。即P主切削力Fc=60Pq*10-3/v=3600N-----最大切削速度，按用硬质合金刀具半精车刚体的速度取V=100m/min在一般外圆车削时Fz=(0.1～0.55)Fc,Fx=(0.15～0.65)Fc取Fz=0.48Fc=0.48×3600=1728N,Fx=0.58Fc=0.58×3600=2088NFz---纵向切削分力Fx---横向切削分力因此，最大工作载荷Fm=KFz+f’(Fz+G)=1.15×2088+0.16×(1728+900)=2821.7N取f`=0.16,W---移动部件的重量，N2)滚珠丝杠平均转速的计算最大切削力下的进给速度Vs(r/min)可取最高进给速度的1/2～1/3取1/2，纵向最大进给速度为0.6m/min，丝杠导程Pn=10mm,则滚珠丝杠平均转速N=1000VS/Pn=30r/min3)计算载荷Fc的计算Fc=Kf*Kh*Ka*Fm=1.2×1×1×2821.7N=3386.04NKf----载荷系数，按附表1选取Kh----硬度系数，按附表2选取Ka----精度系数，按附表3选取Fc----计算载荷附表1载荷系数载荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运转Kf1-21.2-1.51.5-2.5附表2硬度系数滑道实际硬度HRC≥58555045Kh1.01.111.562.4附表3精度系数精度C,DE,FGHKa1.01.11.251.43毕业实践论文第11页共19页4）计算额定动载荷Ca`Ca`=Fc=3600=10647N假定每天开机6h,每年300个工作日，工作8年以上Lh=6×300×8=14400h5)根据Ca`值从滚珠丝杠副系列中选所需要的规格，使所