CA6140車床進給系統(tǒng)的數控改造.

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1、新鄉(xiāng)學院 2010屆畢業(yè)論文 題 目：CA6140車床進給系統(tǒng)的數控改造 姓 名： 張 濤 學 院： 機電工程學院 專 業(yè)： 機電一體化技術 班 級： 07機電（3）班 學 號： 2007144303004 指導教師： 徐秀芬 2010 年 05月 15 日

2、 目 錄 內容摘要1 關鍵詞1 Abstract1 Keywords1 1. 緒論2 2. CA6140車床進給運動數控改造的總體方案3 2.1 設計任務3 2.2 CA6140進給箱以及數控車床進給箱結構分析3 2.3 總體方案確定3 3. CA6140車床數控改造中機械改造4 4. CA6140數控改造的傳動裝置設計計算5 4.1 滾珠絲杠螺母副5 4.2 縱向進給系統(tǒng)設計計算6 4.3 滾珠絲杠螺母副的設計計算7 5. 步進電動機的選擇12 5.1 步進電動機型號選擇12 5.2

3、滾珠絲杠與電動機的連接12 6. 軸承的選擇13 設計小結13 致謝13 參考文獻 14 內容摘要：針對現有常規(guī)CA6140普遍車床的缺點提出數控改裝系統(tǒng)設計，提高加工精度和擴大機床使用范圍，并提高生產率。本論文說明了普通車床的數控化改造的進給運動設計過程，較詳盡地介紹了CA6140緊急系統(tǒng)的機械改造部分及數控系統(tǒng)部分的設計。經過對CA6140的進給系統(tǒng)進行改造，使CA6140放入工作精度和效率得到提高 關鍵詞： 數控機床 進給系統(tǒng) 數控改造 Abstract：To remedy the defects of ordinary lather CA6140 a desi

4、gn of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machine’s usage, and to improve production rate.This paper describes the CNC lathe feed motion transformation of the design process, a more detailed descripti

5、on of the CA6140 transform part of the emergency system and the mechanical part of the design of NC system. After feeding on the CA6140 to reform the system so that the work CA6140 into the improved accuracy and efficiency. Keywords： CNC Feeding system NC Transformation 1.

6、緒論 機床作為機械制造業(yè)的重要基礎裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關注，由于計算機技術的興起，促使機床的控制信息出現了質的突破，導致了應用數字化技術進行柔性自動化控制的新一代機床－數控機床的誕生和發(fā)展。計算機的出現和應用，為人類提供了實現機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發(fā)展，數控機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用，同時使人們對傳統(tǒng)的機床傳動及結構的概念發(fā)生了根本的轉變。數控機床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機械產品向機電一體化發(fā)展的先河。 數控機床與普通機床相比，其主要有以下的優(yōu)點：1.適應性強，適合加工單件或小批量的復雜工件；在數控機床上改變加工工件時

7、，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現新工件加工。2.加工精度高；3.生產效率高； 4.減輕勞動強度，改善勞動條件;5.良好的經濟效益；6.有利于生產管理的現代化。數控機床已成為我國市場需求的主流產品，需求量逐年激增。我國數控機機床近幾年在產業(yè)化和產品開發(fā)上取得了明顯的進步，特別是在機床的高速化、多軸化、復合化、精密化方面進步很大。但是，國產數控機床與先進國家的同類產品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設的需要。我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質差，性能落后，單臺機床的平均產值只有先進工業(yè)國家1/10左右，差距太大，急待改造。舊機床的數控化改造，顧名思義就是在普通機床上

8、增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現預定的加工工藝目標。隨著數控機床越來越多的普及應用，數控機床的技術經濟效益為大家所理解。在國內工廠的技術改造中，機床的微機數控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數控機床一面利用數控、數顯、PC技術改造普通機床，并取得了良好的經濟效益。我國經濟資源有限，國家大，機床需要量大，因此不可能拿出相當大的資金去購買新型的數控機床，而我國的舊機床很多，用經濟型數控系統(tǒng)改造普通機床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機床的自動化程度，比較符合我國的國情。 1984年，我國開始生產經濟型數控系統(tǒng)，并用于改造舊機床。到目前為止，已有很多廠家

9、生產經濟型數控系統(tǒng)。可以預料，今后，機床的經濟型數控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設計實例具有典型性和實用性。 2. CA6140車床進給運動數控改造的總體方案 2.1 設計任務 2.1.1 主要設計內容 對CA6140車床進給運動進行數控改造。研究內容包括CA6140進給箱結構分析、數控車床進給箱結構分析、步進電機選擇、滾珠絲杠螺母副的選型、縱向絲杠組裝裝配圖的繪制、軸承的設計計算 2.1.2 技術指標 （1）主軸調速范圍：0~2000r/min； （2）步進電動機開環(huán)控制。 2.2 CA6140進給箱以及數控車床進給箱結構分析 CA6140的進給箱主要有以

10、下幾部分組成：變換螺紋導程和進給量的變速機構，變換螺紋種類的移換機構，絲杠和光杠的轉換機構以及操縱機構。由面板上的扳手手動控制絲杠和光杠調整橫向縱向進給量，這種方式效率低，傳動精度也不高。而數控車床的進給運動采用無極調速的伺服驅動方式，伺服電機的動力和運動只需經過傳動系統(tǒng)傳給工作臺等運動執(zhí)行部件，部分機床的傳動系統(tǒng)去掉了降速齒輪副，直接將伺服電機與滾珠絲杠相連接，將光杠改為滾珠絲杠。數控車床的進給運動是數字控制的直接對象，所以傳動結構與傳動零件之間摩擦力更小，傳動精度與剛度更高。 2.3總體設計方案確定 本設計對CA6140進行進給系統(tǒng)的數控改造，因為開環(huán)控制具有結構簡單、設計制造容易、控

11、制精度較好、容易調試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點，所以系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)。同時為了提高機床的精度和效率，用滾珠絲杠代替原機床的光杠，并采用單獨的電機來控制。由于時間原因，本文僅涉及縱向進給系統(tǒng)的改造。 3 . CA6140車床數控改造中機械改造 拆除原機床的進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等、裝上步進電機、齒輪減速器和滾珠絲杠螺母副。齒輪間隙采用雙薄片調隙方式。 利用原機床進給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲桿仍安置在原來的位置，兩端仍采用原固定方式。這樣可減少改裝工作量，并由于滾珠絲杠的摩擦系數小于原絲杠，切外徑比原來的大，從而使縱向進給整體剛度增大。 縱向進

12、給機構都采用了一級減速齒輪。雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙。因為彈簧的彈力很難適應負載的變化情況。當負載大時，彈簧彈力顯小，起不到消除間隙之目的，當負載小時，彈簧彈力又顯大，則會加速齒輪的磨損。因此，采用人工調整、螺釘緊固的方法消除間隙。 在溜板箱上安裝縱向快速進給和急停按鈕，以適應機床調整時的操作需要和遇到意外情況時的急停處理需要。 4.數控改造CA6140傳動裝置設計計算 數控機床的傳動裝置是指將電動機的選轉運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動的整個機械傳動鏈及其附屬機構。包括齒輪減速器、絲杠螺母副、導軌、工作臺等。在數控機床數字調節(jié)技術領域，傳動裝置是伺服

13、系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，因此，數控機床的傳動裝置的設計要求除了具有較高的定位精度外，還應具有良好的動態(tài)響應特性，即系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應要快，穩(wěn)定性要好。為確保數控機床進給系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設計機械傳動裝置時，通常提出了無間隙、低摩擦、低慣量、高強度、高諧振頻率的要求。為達到這些要求，采取主要措施如下： （1）盡量采用低摩擦的傳動，如采用靜壓導軌，滾動導軌和滾動絲杠等，以減少摩擦力。 （2）選用最佳降速比，以達到提高機床分辨率，是工作臺盡可能大地加速，以達到跟蹤指令，系統(tǒng)折算到驅動軸上的轉動慣量盡量小的要求。 （3）用縮短傳動鏈以及預緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度。如采用大扭矩寬調

14、速的直流電機與絲杠直接聯接，應用預加負載的滾動導軌和滾動絲杠副，絲杠支承設計成兩段軸向固定的，并可用預拉伸的結構等辦法來提高傳動系統(tǒng)的剛度 （4）盡量消除傳動間隙，減少反響死區(qū)誤差。如采用消除間隙的聯軸器，采用有消除間隙措施的傳動副等。 4.1滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠螺母副是在絲杠和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動元件。滾動絲杠螺母副可將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，或者將直線運動轉變?yōu)樾D運動。因此，滾珠絲杠螺母副既是傳動元件，也是直線運動與旋轉運動相互轉換的元件。 滾珠絲杠螺母副的特點是： （1）摩擦損失小、傳動效率高，高達0.92~0.96 （2）螺母之間預緊后，可以完全消除間隙，傳

15、動精度高、剛性好。 （3）摩擦阻力小，且?guī)缀跖c運動速度無關，動靜摩擦力之差極小，不易產生低速爬行現象，保證了運動的平穩(wěn)性。 （4）磨損小，壽命長，精度保持性好。 （5）不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉運動轉換為直線運動，也能將直線運動轉換為旋轉運動，可滿足一些特殊要求的傳動場合，但當立式使用時，應增加制動裝置。 （6）工藝復雜，成本高。 由于滾珠絲杠螺母副的傳動效率高，精度高切運動平穩(wěn)，所以用滾珠絲杠螺母副代替原有光杠。 4.2縱向進給系統(tǒng)的設計計算 電機初步估算轉速為1500r/min 切削力的計算 最大且小功率 P=Pη 式中P——主電機功率，CA

16、6140的功率P=7.5kW η——主傳動系統(tǒng)的效率，一般為0.7~0.85，取η=0.8 所以 P=7.5*0.8=6kW 機床的切削功率應該為可承受的最大切削功率，以滿足在遇到最大切削力和最大切削速度的需要 車床的道具為YT5，材料為硬質合金，切削材料Q235為低碳鋼，查《機械加工工藝手冊》，可查得最大切削速度v=150m/min P= 已計算得P=6kW 所以，主切削力F=2400N 在車削外圓時，一般F=（01.~0.5 5）F，F=（0.15~0.65）F 取F=0.5 F=1200N，F=0.6F=1440N F——縱向切削分力 F——

17、橫向切削分力 4.3 滾珠絲杠螺母副的設計計算 滾珠絲杠的選型設計，一般必需已知下列條件：絲杠最大軸向載荷F，使用壽命T，絲杠的當量轉速n，絲杠的運轉狀態(tài) 4.3.1軸向切削力計算 F=K F+f（F+G） G——機床移動部件重量，W=800 f——導軌上的摩擦系數，查《機械設計手冊》，f=0.15~0.18，取f=0.16 K——考慮顛覆力矩影響的實驗系數，K=1.15 因此F=1.15*1200+0.16*（2400+800）=1892N 4.3.2滾珠絲杠的當量轉速計算 步進電機與滾珠絲杠螺母副齒輪之間的傳動比 i==0.8 ——縱向進給脈沖當量，取=0.01

18、 ——步進電動機矩角，=0.75 L——絲杠的基本導程， L=6mm 電機軸與滾珠絲杠之間是降速傳動，所以滾珠絲杠的最大轉速 n=n*i=1200r/min 由《機械設計手冊》可知，當量轉速n在最大轉速n和最小轉速n之間，取最小轉速n=1r/min 則當量轉速n===600.5r/min，取n=600r/min 4.3.3滾珠絲杠的壽命計算 L===540*10 r 4.3.4最大動負載C C= ——運動系數，查《機械設計手冊》，=1.2 ——精度系數，查《機械設計手冊》，=1 因此，C=18488.4N 根據絲杠螺母副選擇原則，按表“滾珠絲杠副不同循環(huán)方式的比較

19、”及表“滾珠絲杠副不同預緊類型的比較”選定滾珠螺母形式，按估算的P、C從“內循環(huán)滾珠絲杠副系列性能參數” 、“外循環(huán)滾珠絲杠副系列性能參數” 、“大導程滾珠絲杠副系列性能參數” 、“微型滾珠絲杠副系列性能參數”中選出合適的規(guī)格代號及有關安裝連接尺寸。 表 滾珠絲杠副不同循環(huán)方式的比較 循環(huán)方式 內循環(huán) 外循環(huán) 浮動式 固定式 插管式 螺旋槽式 代號 F G C L 結構特點 滾珠循環(huán)鏈短，反向靈活，結構緊湊，剛性好，使用可靠，工作壽命長，螺母配合外徑較小，扁圓型反向器螺母軸向尺寸最短 滾珠循環(huán)鏈較長，但軸向排列緊密，軸向尺寸小，螺母配合外徑較大。剛性較差，但

20、滾珠流暢性好，靈活、輕便 摩擦力矩 小 小 較小 較大 工藝性 較差 差 好 一般 制造成本 最高 較高 較低 較低 使用場合 各種高靈敏、高精度、高剛度的進給定位系統(tǒng) 重型載荷。高速運動及精密定位系統(tǒng)在大導程、多頭螺紋中顯示其獨特優(yōu)點 適用于一般工程機械，不適宜高剛度、高速運動的傳動 根據此表，從工藝性已經經濟型和適用場合來分析，選擇外循環(huán)插管式滾珠絲杠副，代號C 表滾珠絲杠副不同預緊類型的比較 預緊類型 雙螺母齒差預緊 雙螺母墊片預緊 雙螺母螺紋預緊 單螺母變位導程預緊 單螺母增大鋼球預緊 代號 C D L B Z

21、 滾珠螺母受力性質 拉伸 拉伸 壓縮 拉伸(外) 壓縮(內) 拉伸(+) 壓縮(-) _ 結構特點 可實現2um以下的精密微調，預緊可靠，調整方便，結構復雜，軸向尺寸偏差大，工藝復雜 結構簡單，軸向性好，預緊可靠，不可調整，軸向尺寸適中工藝性好 使用中可隨時調節(jié)預緊力，但不能實現定量調整，螺母軸向尺寸大 結構緊湊、簡單，完全避免了雙螺母結構中形位誤差的干擾，技術性強，不可調整 結構簡單緊湊，但不適宜預緊力過大的場合，不可調整，軸向尺寸小 適用場合 用于要求準確預加載荷的精密定位系統(tǒng) 用于高剛度、重載荷的傳動，目前應用最廣泛 用于不需要準確預加載荷且用戶自調的

22、場合 用于中等載荷以下，且對預加載荷有要求的精密定位、傳動系統(tǒng) 用于中等載荷以下軸向尺寸受限制的場合 備注 “內預緊”結構形式。方便用戶使用，一般不提倡用戶自調，而由生產廠根據用戶要求用儀器檢測來調整 最難以實現“內預緊”，使用不準確，不廣泛 最典型的“內預緊”結構，使用廣泛 最典型的“內預緊”結構，使用廣泛 選擇雙螺母墊片預緊，代號D 根據最大動載荷C和預設導程，查表常用外循環(huán)滾動螺旋副尺寸系列及其承載能力，取規(guī)格代號為4006，因次，滾珠絲杠螺母副的型號為CD4006-3.5-3，既外循環(huán)插管式雙螺母墊片預緊滾珠絲杠螺母副。額定動載荷19050，強度夠用，精度等級為三級，

23、公稱直徑d=40mm，導程P=6mm，鋼球直徑D=3.969mm 4.3.5剛度計算 滾珠絲杠受負載引起的導程變化量 L= P——滾珠絲杠的基本導程，P=6mm=0.6cm F——工作負載 E——彈性模量，E=20.610 A——滾珠絲杠截面積 A=（） 其中d=d+2e-2R d——滾珠絲杠公稱直徑 e——滾珠絲杠滾道圓弧偏心距 R——滾道圓弧半徑 e=（R-）cos，R= D——滾珠直徑，取D=4mm ——接觸角，查《機械設計手冊》，=45 因此，R==2.08mm e=（R-）cos=（20.8-2）cos45=0.057mm d=d+2e-

24、2R=40+2*0.057-2*2.08=35.95mm=3.595cm 因此，面積A=（）=（）*3.14=10.15 cm 則 L===5.43cm= 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量L很小，可以忽略 既總L=L，所以導程總變形量=L=5.4310=9.05/m 在《機械設計手冊中》可知3級精度的滾珠絲杠允許的螺距誤差為19/m，故剛度夠用。 滾珠絲杠螺母副的兩端采用固定支承，所以穩(wěn)定性沒有問題，無需校核 5、伺服電動機的選擇 由于開環(huán)控制的數控機床容易掌握，調試方便，維修簡便，國內的大多經濟型數控系統(tǒng)多采用這種方式，因此從經濟性和實用性方面考慮，本次數控改造依然使

25、用開環(huán)控制系統(tǒng)。 5.1伺服電機的型號選擇 伺服電機功率確定 N= NS——伺服電機功率 Q——進給力抗力，據資料顯示改造后的簡式數控車床最大主切削力F=2750N，故Q=0.5F=1375N V——車床進給速度，V=0.4m/min Y——進給傳動系統(tǒng)的總機械效率，一般為0.15~0.2，取Y=0.2 N==0.46kW 考慮進給系統(tǒng)的過載現象，選擇的電機功率應該大于計算功率，參考電機手冊，選擇型號為110SNMA6I型的永磁無刷伺服電機 型號 額定功率kW 額定轉矩Nm 額定電流A 轉子慣量Kgm 110SNMA6I 1.256 6 50. 0.78*

26、10 5.2 滾珠絲杠與電動機的連接 電機通過齒輪副與步進電動機連接，為了方便和實用，步進電機安裝子縱向滾珠絲杠的左端 6、軸承的選擇 因絲杠主要承受軸向力，且傳動精度要求較高。根據《機械設計手冊》查得：推力球軸承軸向力承受能力較好，所以選用推力球軸承。推力球軸承的基本代號為51100，根據軸承代號原理，以及軸承安裝配合為過盈配合，選擇尺寸代號為7，所以軸承型號為51107，幾何參數d=35mm，滾動體直徑d=6.35mm，滾動體數量Z=18,|滾珠絲杠副及軸承均進行預緊。 設計小結 經過這么久的忙碌呢，終于完成了本次設計課題的各項任務。經過此次畢業(yè)設計，增強了我

27、的自學能力和手機實用資料的能力，同時全面系統(tǒng)的鞏固和總結大學三年來所學習的專業(yè)知識。 通過此次畢業(yè)設計，使我把大學三年所學的知識貫穿到了一起，所學的知識得到了系統(tǒng)性的整合，也是我所學的專業(yè)知識首次得到綜合性的應用。加深了對所學專業(yè)知識的理解，同時還接觸了一些在原來知識基礎書上更為深層的知識。當然，也是我體味到設計工作是一項艱苦任務，必須具備艱苦耐勞的精神。總之，這次畢業(yè)設計使我受益匪淺，為我的將來工作大號了良好的基礎。 同時由于本人知識面較窄，加上時間比較倉促缺乏實踐經驗，設計中難免出現錯誤和不足之處，還望各位老師和同學批評指正，不勝感激 致謝： 本文是在指導老師的精心指導和大力支持下

28、完成的。指導老師以其嚴謹求實的治學態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神對我產生重要影響。同時由于本人知識面較窄，很多資料和數據都是在老師的幫助下才找到，對我的設計起到了很大的幫助。同時也感謝同學們對我的無私幫助，幫我查資料找書，使我得以順利完成此文。 參考文獻 [1]楊后川：《數控技術及應用》，北京大學出版社2007年版 [2]賈亞洲：《金屬切削機床概論》，機械工業(yè)出版社1996年版 [3]劉建華、杜鑫：《機械設計課程設計指導》，化學工業(yè)出版社2008年版 [4]《機械設計手冊》2008新編軟件版 [5]《機械加工工藝手冊》軟件版 [6]余英良：《機床數控改造設計與實例》，機械工業(yè)出版社 17