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1、 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 51 页CK6163 车床数控化改造1 1绪论绪论1 11 1 选题目的及意义选题目的及意义机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石。数控机床是一种高效率、高精度，能保证加工质量，解决工艺难题，而且又有一定柔性的生产设备。自五十年代末世界上第一台数控机床在美国研制成功的半个多世纪以来，数控技术正在发生根本性变革，由专用封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造作为新的经济增长行业，正处在黄金时代，由于技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。在
2、国内，机床的数控化改造是发展我国数控设备的一个重要方面。 国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见的发布和实施，是提高我国国际竞争力，实现国民经济全面、协调和可持续发展的战略举措，把发展数控装备和数控系统及功能部件作为振兴装备制造业重大突破的 16个关键领域之一，对我国机床工具行业的发展，具有重要的指导意义。车床是金属切削加工最常用的一类机床，它能够加工内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹等。普通车床由于造价低廉在我国运用十分广泛，但是因为其进给轴不能联动，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且无法加工复杂的回转零件。对普通车床的数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的并能独立运动的进给
3、伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。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。改造后的车床针对性高，专业性强，可以加工出普通车床加工不了的曲线、曲面等复杂零件。加工精度高，尺寸分散度小，易于装配。可以实现多工序集中加工，提高了相关加工精度，同时减少被加工零件在机床间的频繁搬运。拥有自动补偿等功能，简化了传统机床加工工艺中的工序，机床利用率大幅度提本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 51 页高。由于采用自动化加工技术，可大大降低操作者的劳动强度，减少废品的产生，提高工作效率。另外其改造成本同购置新机床相比，节省的费用十分可观，国产
4、数控机床价格也要 48 万元，进口机床有的近 20 万元，而对普通车床进行数控化改造也能满足实际生产要求，其改造费用仅 23 万元，非常符合我国国情。1 12 2 设计任务与总体方案的确定设计任务与总体方案的确定将 C6163 普通车床（如图 1-1 所示）改造成采用 16 位单片机半闭环控制的经济型数控车床，要求该车床进给两坐标联动并且能够实现直线插补和圆弧插补并增配自动回转刀架和主轴脉冲发生器，能车削螺纹。图 1-1 普通车床 C61631.2.1已知参数及设计参数最大加工直径：630； mm床鞍上最大加工直径：350；mm最大加工长度：1500；mm纵向导轨长度：2000；mm主电动机功
5、率：11；kW冷却泵电机功率：0.12；kW主轴通孔直径：105；mm主轴转速：14 级 12.51120；min/r本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 51 页托板和刀架的总重力 G：1500；N最大进给速度：纵向：，maxjVmin/8 . 0 m横向：0.4；min/m最大刀架快移速度：纵向：6，maxVmin/m横向：4；min/m脉冲当量：纵向：0.001/脉冲， pmm横向：0.0005/脉冲；mm定位精度：纵向：0.01， mm横向：0.005；mm启动加速时间：纵向：200；0tms横向：100；ms电动刀架转位数：4122系统总体方案设计数控
6、系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择等。（1）系统的运动方式：该车床改造后应具有单坐标定位，两坐标直线/圆弧插补的功能。所以数控系统应设计成连续控制型。（2）进给伺服系统的类型：按任务要求采用直流电动机的半闭环控制系统。该系统具有精度高，动态性能良好的特点。相应的进给传动链由自带增量式光电编码器的直流电机与减速机构及滚珠丝杠螺母副组成。（3）数控系统处理器的选择：采用 TI 公司推出的 MSP430 系列 16 位单片机，该系列单片功能强大，性价比高，是 16 位单片机中的主流芯片之一。另外采用 LM629
7、全数字专用运动控制处理器，可以进行位置与速度的反馈控制。（4）根据系统的要求，还要设计键盘与显示电路，显示界面采用 LED 数码管，数控系统还可以和 PC 机串行通信，所以还要设计串行接口电路。（5）为了加工安全还需安装纵向和横向限位开关。（6）主轴电动机的交流变频器的选择及主轴脉冲发生器的选择。（7）为了达到设计要求中的速度和精度，纵向与横向进给传动应选用摩擦本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 51 页小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副。（8）为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了是传动系统的负载惯量劲可能地减小，传动链中应设有减速机构。减速机构选则同
8、步带，其综合了带传动、链条传动以及齿轮传动的优点，在许多领域已经替代了齿轮传动和链传动。（9）自动回转刀架的选择及其控制电路的设计等。（10）保留原来的冷却系统，滚珠丝杠和滑板轮滑采用手动泵注入。根据以上选定的普通机床数控化改造方案，拟订它的数控系统及控制方法，系统的总体框图如下：数控装置隔离放大MM光电编码器光电编码器键盘与显示 接口芯片串行接口冷却泵刀位信号限位信号按钮信号刀架控制交流变频器主轴编码器主轴电机Z 轴 传动X 轴 传动图 1-2 系统结构方框图本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 51 页2 2 机械系统的改造设计机械系统的改造设计2 21 1
9、 主传动系统的改造主传动系统的改造普通车床进行数控化改造时，为了减少工作量一般保留原有的主传动机构和变速操纵机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主电机的作用仅为带动主轴旋转，主轴的正转、反转和停止由数控系统来控制。采用交流变频器实现主轴电机的无极变速，本设计选用 F1000-G0110T3C 型变频器，该型号适配电机11KW，额定输出电流为 23A。2 22 2 换装自动回转刀架换装自动回转刀架为了提高加工精度和加工效率，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架，选用常州市南新数控设备有限公司生产的 LD4-6163 型四工位立式电动刀架,该型号刀架采用蜗杆传动，上下齿
10、盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的优点。同时采用无触点霍尔开关发信，使用寿命长。该系列电动刀架是用户普通采用的经济型产品。其相关参数如表 2-1 所示。表 2-1 LD4-6163 电动刀架相关参数换刀时间（s）最大许用力矩(Nm) 型号90 度180度270度MqMxMs重复定位精度（mm）电机功率（W）电机转速（rpm）净重（KG）LD4-61632.83.54.210002500800mz337 计算基准额定功率基准额定功率就是所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率，其计算公式如下： vmvTPa)(2 0式中： 单位为；0PW带宽为基准带宽 b 时
11、的许用工作拉力，单位 N，如表 3-8 所示；aT带宽为基准带宽 b 时的单位长度质量（线密度） ，单位；mmkg /同步带线速度，上述 3.3.4 中已算出其值为 3.05。vsm/本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 51 页表 3-8 同步带基准宽度下的许用拉力和线密度带型号基准带宽 b/mm许用拉力/N线密度/1mkgXL9.550.170.022L25.4244.460.095H76.22100.850.448经计算，WP39.1520338 确定实际同步带宽度实际所需同步带宽度的计算公式如下：rb14. 1/10)(PKPbbzd r式中：选定型号
12、的基准宽度，XL 型其值为 9.5；bmm小带轮啮合系数，根据文献，当时，其值为 1。zK6mz经计算得出：31.88。根据相关文献，选定最接近的带宽33.3rbmmrb)(mm339 同步带工作能力的验算用下式来计算同步带的额定功率:vmvbbTKKPr awzr)(2式中：齿宽系数，其值为。wK1781. 4)/(14. 1bbKrw小带轮啮合系数，取 1；zK经计算得出：,所以满足要求。WPWPdr605.85145.637本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 51 页4 4 横向进给传动部件的计算和选型横向进给传动部件的计算和选型4 41 1切削力的计
13、算切削力的计算因为横向切削力大小一般等于纵向切削力的一半，所以：)(254425088NFz=2035.22=1017.6yF)(N=1780.82=890.4xF)(N式中：横向主切削力；zF走刀方向切削力；yF吃刀方向切削力。xF4 42 2滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠螺母副的计算和选型421最大工作载荷的计算已知移动部件总重力，电动刀架重量为，则横向进给机构NG1500kg55的重力约为，横向为燕尾导轨，查表 3-1，最大工作载荷的计算如GN850mF下： =)2(GFFFKFxzym)(6 .2459N式中： 为考虑颠覆力矩影响时的实验系数，取 1.4；K为滑动导轨摩擦系数，取
14、0.2。本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 51 页422 最大动载荷的计算mhwQFffLF3610/60 TnLmin/80/1000maxrPVnhj式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r；L610丝杠寿命，取 15000；T载荷系数，一般取 1.2；wf硬度系数取 1；hf横向丝杠副最大工作载荷，其值为 2459.6；mFN横向滚珠丝杠导程，初选为。hPmm5横向最大工进速度，该设计值为；maxjVmin/4 . 0 m横向最大工进速度对应丝杠的转度，单位。nmin/r计算得出得 ：=12278.8。QFN423 滚珠丝杠螺母副的选型根据计算出的最大动
15、载荷,选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的QFFL4005-3 型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母方式预紧，精度等级为 3 级，其参数如表 4-1 所示。表 4-1 FL4005-3 型滚珠丝杠相关参数公称直径/mm导程/mm钢球直径/mm丝杠外径/mm丝杠底径/mm额定载荷/KN接触刚度/1 mN0dhPwD1d2doaCaC4053.53936.532.8141453424 滚珠丝杠副的支承方式本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 51 页考虑到横向滚珠丝杠副的长度、精度与负载的大小以及改造成本，采用双推-单推支承方式，该方式轴向刚度高，位移精度好，可以进行预拉伸。425 传动效率的计算=)tan(tan 式中：螺距升角，根据,可得=228；0h 14. 3Ptand摩擦角，一般取=10。算得： =95.67%)01822tan(822tan 426 刚度的验算=（“+”号代表拉伸， “-”代表压缩）1SElFum 式中：丝杠的最大工作载荷，单位为；mFN丝杠纵向最大有效行程，单位为；ulmm丝杠材料的弹性模量，钢；EMPaE5101 . 2 丝杠的横截面面积，单位按丝杠
