CA6140车床经济型数控改造设计

1重庆大学网络教育学院毕业设计（论文）题目CA6140车床经济型数控改造设计学生所在校外学习中心福建福州校外学习中心批次层次专业201402、本科机械设计制造及自动化学号W12116150学生汤清杰指导教师董小闵起止日期20140828起至20141031止2目录摘要................................................................31.引言.................................................................42.设计总体要求及相关已知条件...........................................42.1设计总体要求........................................................42.2相关已知条件........................................................53.切削力的计算与分析...................................................64.机床主电机功率计算...................................................74.1主轴的变速范围......................................................74.2主轴电机的校核......................................................85.进给伺服系统传动方案................................................86.滚珠丝杠螺母副的设计、计算及选型.....................................96.1型号选择..........................................................96.2横向滚珠丝杠的校核..................................................97.导轨的计算及选型....................................................107.导轨的计算及选型....................................................117.1纵向步进电机的选择................................................117.1.1确定系统的脉冲当量..............................................117.1.2步距角的选择.....................................................117.1.3矩频特性.........................................................127.1.4据步进电机的矩频特性计算加减速时间校核的快速性...................157.2横向步进电机的选择................................................157.2.1步距角的确定.....................................................157.2.2距频特性.........................................................16设计小结..............................................................18参考文献：............................................................193摘要数控技术水平的高低和数控设备拥有的多少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。但是，发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初期投资大，这使许多中小型企业难以承受。如果淘汰大量的普通机床，而去购买昂贵的数控机床，势必造成巨大的浪费。因此，普通机床的数控化改造大有可为。针对现有常规CA6140普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了CA6140机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。通过对CA6140A普通车床的数控改造，使其加工精度明显提高，定位准确可靠，操作方便，性能价格比高。这种方法对中小企业设备的数控改造有一定的借鉴与推广作用。本次改造主要针对车床的主轴系统、刀架系统、进给系统、反馈环节、电器控制柜及数控系统进行了改造，改造方法简单、改造操作步骤便于实施。而且掌握了一些CAM、CAD等制图软件的应用和论文的撰写格式，这篇论文对我两年半的大学学习的一次全面总结。关键词：CA6140数控改造进给系统传动系统41.引言数控技术水平的高低和数控设备拥有的多少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。但是，发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初期投资大，这使许多中小型企业难以承受。如果淘汰大量的普通机床，而去购买昂贵的数控机床，势必造成巨大的浪费。因此，普通机床的数控化改造大有可为。金属切削机床是加工机器零件的一个主要设备。它担负的工作量，约占机器总制造量的40-60%。机床的计术水平直接影响机械制造工业和劳动生产率。金属切削机床是人类在改造自然的长起生产实践中，不断改进生产工具的基础上发展起来的。近些年来我国机床工业已取得很大成就。但和世界先进水平相比，还有较大的差距。主要表现在大部分高精度和超密机床的性能还不能满足要求。精度保持性也很差。特别是高效自动化和数控机床的产量，技术水平和质量等方面都明显落后。我国的技术人员素质还跟不上现代机床技术飞速发展的需要。2.设计总体要求及相关已知条件2.1设计总体要求1988年采用开环伺服进给系统，进行纵向进给机构的改造，横向进给机构的改造。具体要求：5（1）计算切削力（2）机床主电机功率计算（3）进给伺服系统传动方案的设计主要有三种方案：其一是由步进电机通过联轴器方式传递给滚珠丝杠；其二是由步进电机通过一对齿轮啮合方式传递给滚珠丝杠；其三是由步进电机通过同步齿形带的方式传递给滚珠丝杠。可对上述三种方式比较后选择其一。（3）滚珠丝杠螺母副的设计、计算及选型（4）导轨的计算及选型（5）步进电机的计算及选用2.2相关已知条件我将CA6140普通车床改造成经济型数控车床，要求车床有切削螺纹功能，纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm，横向:0.005mm。设计参数：1）最大加工直径在床面上400mm在床鞍上210mm2）最大加工长度1000mm3）快进速度纵向2.4m/min横向1.2m/min4）最大切削进给速度纵向0.5m/min横向0.25m/min5）最小指令值纵向0.01mm/pulse横向0.005mm/pulse6）进给传动链间隙补偿量纵向0.15mm横向0.075mm67）电机功率7.5kw3.切削力的计算与分析车削外圆时的切削抗力有ZyXFFF、、，主切削力Fz与切削速度方向一致，垂直向下，是计算车床主轴电机切削功率的主要依据。且深抗力Fy与纵向进给方向垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力Fx与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。纵切外圆时，车床的主切削力Fz可以用下式计算：)(5360NKVfCFZzFzFzZFzyXFpFz(1)由金属切削原理知:Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4得Fx=1340(N)Fy=2144(N)因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给拖板上的载荷Fl、Fv和Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系，因此，作用在进给拖板上的载荷可以按下式求出：拖板上的进给方向载荷Fl=Fx=1340(N)拖板上的垂直方向载荷Fv=Fz=5360(N)拖板上的横向载荷Fc=Fy=2144(N)因此，最大工作载荷NGFvfKFlFm68.17908.990536004.0134015.1'对于三角形导轨1.15K，0.05~0.03f，选04.0f(因7为是贴塑导轨)，G是纵向、横向溜板箱和刀架的重量，选纵向、横向溜板箱的重量为75kg，刀架重量为15kg。4.机床主电机功率计算4.1主轴的变速范围主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围nR，即minmaxnnRn，数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化很大，所以主轴变速范围很宽。则min1132141800rnj其中，jn为电动机的额定转速该机床主轴要求的恒功率调速范围Rn为：9.151131800minmaxnnRn主轴电机的功率是7.5kw初选主轴电机的型号：SIMODRIVE系列交流主轴驱动系统型号为1HP6167-4CB4,，连续负载PH/KW=14.5，间歇负载（60%）/kw=17.5kw，短时负载（20min）/kw=19.25kw，额定负载5000min./1rn，最大转速8000min/max/rn，额定转矩277NM，惯性矩2/206.0mkg。84.2主轴电机的校核电动机恒定调速范围：165008000minmaxnnRn所以所选电动机型号的调速范围满足主轴要求的调速范围。5.进给伺服系统传动方案减速器箱体的设计：一般机床数控改造后，经济型数控车床的脉冲当量是一不可改变的值，为了实现多脉冲当量的任意选择，我们可在步进电机与滚珠丝杠间加一个减速机构，下面即是对减速机构的设计过程。由任务书中可知纵向和横向的脉冲当量分别为：纵向0.010.0080.005横向0.0050.0040.0025为减少减速机构的体积设定中心距A=(z1+z2)m/2=67.5其中m=1.5z1+z2=90(齿)则以横向脉冲计算为例i=z1/z2=45/45时，则脉冲当量为0.005mmi=z1/z2=40/50时，则脉冲当量为0.004mmi=z1/z2=30/60时，则脉冲当量为0.0025mm因纵向与横向的减速机构可以相同，为了降低成本将横纵减速器结构设置为一样。96.滚珠丝杠螺母副的设计、计算及选型6.1型号选择（1）最大工作载荷计算由于导向为贴塑导轨，则：1.4k，05.0f，Fl为工作台进给方向载荷，Fl=2144N，Fv=5360N，Fc=1340N，G=60kg，t=15000h，最大工作载荷：G)2F(FkFFcvlmf75)9.8134020.05(536021441.43452.6N（2）最大动负载的计算v横=0.79mm/r1400r/min=1106mm/minn横丝=v横1/2/L。纵=1/2/51106=110.6r/minL=60nt/106=1106110.615000/106=99.54C=23283.8N3352.61.599.543