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1、C6140普通车床改造数控正文第一章 设计方案的确定C6140型普通车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大的普通型车床。经过大量实践证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是技术都是确实可行了。一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的数控车床，同时具有数控控制和原机床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。本设计主要是对C6140普通型车床进行数控改造，用微机对纵、横进给系统进行控制。系统可采用开环控制和闭环控制，开环控制虽然有不稳定、振动等缺点，但其成本较低，经济性较好，车床本身所进行的加工尺寸是粗、半精加工。驱动原件采用步进电动机。系统传动主要
2、有：滑动丝杠螺母传动和滚珠丝杠螺母传动两种，经比较分析：前者传动效率及精度较低，后者精度和效率高，但成本高，考虑对车床的性能要求，故采用滚珠丝杠螺母传动。刀架性能要求是准确快速的换刀，因此采用自动转位刀架。一 总体设计方案的确定由于是对车床进行数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用前提下，对同床的改动尽可能少，以降低成本。根据这一原则，决定数控系统采用开环控制；传动系统采用滚珠丝杠螺母传动；驱动元件采用步进电动机；数控系统采用JWK型系统；刀架采用自动转位刀架。这样车床既保留原有功能，又减少了改造数量。二 机械部分的改造设计与计算将普通车床改造成数控机床，除了增加控制系统外，机械
3、部分也应进行相应的改造，其中包括：纵向和横向进给系统的设计选型，以及自动转位刀架的选型。（一）纵向进给系统的设计选型1、经济数控车床的改造，采用步进电动驱动纵向进给，有两种方案：一种是步进电机驱动丝杠螺母固定在溜板箱上；第二种是纵丝杠固定、电机安装在溜板箱上，驱动螺母传动。对于车床的改造而言，采用第一种方案显然简单易行。所以步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。从改装方便，实用等方面考虑，所以将步进电机放在丝杠的左端。2、纵向进给系统的设计计算，已知条件：工作台重量：W=80kgf=800N时间常量： T=25ms行 程： s=640mm步 驱 角： 2=0.75o/step快速进给速度：Vm
4、ax=2m/ms脉冲当量： 8p=0.01mm/8tep（1）切削力的计算由机床设计手册得公式 No=Nd （公式一）其中 NO 为传动件的额定功率Nd主电机的额定功率，见使用说明书得：Nd=4.5 kw 从电机到所计算的传动轴的传动效率（不含轴承的效率）从电机到传动轴经过皮带轮和齿轮两种传动件传动，所以=n1n2 由机床设计手册得n1 =0.96 n2=0.99所以：=0.960.99=0.9504 取 =0.95即N=40.95=3.8（kw）又因为主传动系统效率一般为0.60.7 之间，所以取0.65所以NC（进给效率）=3.80.65=2.47（kw）由机械加工工艺手册得Pm= 9.8
5、 （公式二）式中Vs 切削速度，设当其为中等转速，工件直径为中等时，如D=40mm时，取Vs=100m/min主切削力FZ = =151.164（Rgf）=1511.64N由机床设计手册得主切削力FZ=CFzapxfxfyfzkfz(经验公式) CFzapxfx fyfz kfz (公式三)对于一般切削情况，切削力中的指数xfx1FZ=0.75 Kfz0CFZ=188kg/2=1880MpaF2的计算结果如下：ap()222333f()0.20.30.40.20.30.4Fz(N)10515241891168122872837为便于计算,所以取Fz=1511.7N,以切削深度ap=2走刀量f=
6、0.3为以下计算以此为依据。由机械床设计手册得，在一般外圆车削时，Fx（0.10.6）FZFy(0.150.7)Fz取Fx=0.5 Fz Fy=0.6FzFx=0.51511.7=755.9(N)Fy=0.6 Fz=0.61511.7=907.0(N)（2）滚珠丝杠的设计计算由经济型数控机床总设计，综合车床导轨丝杠的轴向力得P=RGx+f（Fz+w） (公式四)其中R=1.15 , f=0.150.18 取f=0.16P=1.15755.9+0.16(1511.7+800) =1239.2(N)强度计算寿命值Li= （公式五）ni= （公式六）由机床设计手册得Ti=15000h,原机床丝杠螺距
7、为60， D=80ni= =19.920(r/min)Li=18最大动负Q=PfwfH (公式七)其中 运载系数fw=1.2硬度系数Fh=1Q=1.21239.21 =3897.1(N)根据最大动力负载荷Q的值，查表选择滚珠丝杠的型号为W50103.51，查表得数控车床的纵向精度为B级，左旋即型号为W50103.51/B9001000其额定载荷是3970N效率计算根据机械基础得，丝杠螺母副传动效率为= (公式八)由机床设计手册得4一般为812取4=10即：摩擦角4=10，螺旋升角（中径处）r=3O25则= =0.953 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载P引起的导程变化量L1= (公式九)其中 LO
8、=10=1E=20.6106N/2滚珠丝杠横截面积 F=() d为滚珠丝杠外径 =（）23.14 =18.47(2) 则L1=3.25610-63.27um查机床设计手册，B级精度丝杠允许的螺距误差（900螺丝长度）为25nm/m ，因此，丝杠的刚度符合要求。即刚度足够。稳定性验算由于原机床杠径为30，现选用的滚珠丝杠为50，支承方式不变。所以，稳定性不成问题，无需验算。齿轮及转矩的相关计算此齿轮为普通减速器的齿轮且减速器为一般机器，没有特殊要求，从降低成本，减小结构尺寸和易于取材的原则出发，决定小齿轮选用45钢调质，齿面硬定为217255HBS。大齿轮选用45正火，齿面硬度169217 HB
9、S。传动比i=其中2表示步驱角，89表示脉冲当量i=2.1取齿数z1=30, Z2=63 模数m=2mm, 啮合角为200，小齿轮齿宽为25，大齿轮齿宽20。d1=mz1=230=30d2=mz2=263=126da1=m(z1+2)=2(30+2)=64a=93齿轮传动精度计算齿轮圆周速度VV=4.2(m/s)根据齿轮圆周速度和对噪音的要求确定齿轮精度等级侧隙分别为：小齿轮：8GJ大齿轮：8FL传动惯量的选择工作台质量折算到电机轴上的转动惯量J1=()2W =()280 = 0.467kg. 2丝杠的转动惯量Js=7.810-4D4L1=7.8-4(50)414.9 =7.26(kg. 2)
10、齿轮的转动惯量JZ1=7.810-4(60)42=2.02(kg. 2)JZ1=7.810-4(126)42=39.32(kg. 2)由于电机的传动惯量很小，一般可忽略不记所以总的传动惯量为 J总=(Js+Jz2)+Jz1+J1 =(7.26+39.32)+2.022+0.467 =14.50(kg. 2) =145.0(N. 2)所需转动力矩的计算快速空载启动时所需力矩 M=Mmamx+Mf+MO （公式十二）最大切削负载时所需力矩 M=Mat+Mf+MO+Mt （公式十三）快速进给时所需力矩M=Mf+MO （公式十四）式中Mmamx 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩。 Mf 折算到电机
11、轴上的磨擦力矩。 MO 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 Mat 切削时折算到电机轴上的加速度力矩。Mt 折算到电机轴上的切削负载力矩。Ma=10-4（N.m）其中T=0.025 (公式十五)当n=nmax时，Mamax=Ma nmax=400(r/min)Mamat=10-4=24.17(kgf.cm) =241.7(N.cm)nt= =25.08(r/min)Mat=10-4=1.51(kgf.cm) =15.1(N.cm)Mf=当=0.8，f=0.16时，Mf=1.213(kg.cm) =12.13(kg.cm)MO=(1-o2)当=0.9时，预加荷PO=FxMO= =
12、0.40334.03(N.cm)Mt= =6.368(kg.cm)=63.68(N.m)所以，快速空载启动所需力矩M快空= Mamax+Mf+MO 241.7+1.213+4.03 =257.86(N.cm)切削时所需力矩M切= Mat+ Mf+ MO +Mt=15.1+12.13+4.03+63.69=94.95(N.cm)快速进给时所需力矩M快速= Mf+MO =12.13+4.03=16.16(N.cm)由以上计算可得所需最大力矩Mamax发生快速启动时Mamax= M快速=257.86(N.cm)（二） 横向进给系统的设计与计算（1）横向进给系统的设计经济数控车床改造的横向进给系统一般是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,以保证其同轴度,提高传动精度。（2） 横向进给系统的设计计算，已知条件工作台重量：W=30kgf=300N时间常量：T=25ms行 程：s=190mm步 驱 角：
