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蘭州理工大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 題 目 C6140 型臥式車床的數(shù)控化改造 總體設(shè)計及縱向進(jìn)給設(shè)計 院 系 專 業(yè) 班 級 學(xué)生姓名 導(dǎo)師姓名 職稱 起止時間 目 錄 摘 要 2 第一章 前言 3 第二章數(shù)控車床設(shè)計概述 4 第三章 C6140 車床數(shù)控改造總體設(shè)計方案 5 第四章 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 9 4 1 切削力的計算 9 4 2 滾動絲桿的設(shè)計計算 9 4 2 1 強度計算 9 4 2 2 效率計算 10 4 2 3 剛度計算 10 4 2 4 穩(wěn)定性計算 11 4 2 5 齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計算 12 4 2 6 傳動慣量的選擇 13 4 2 7 所需轉(zhuǎn)動力矩的計算 16 第五章 步進(jìn)電機的選擇 18 5 1 一步進(jìn)電機的選用原則 18 5 1 1 步距角 19 5 1 2 精度 20 5 1 3 轉(zhuǎn)矩 21 5 1 4 啟動頻率 24 5 2 步進(jìn)電機的選型 26 總結(jié)與體會 28 致謝詞 29 參考文獻(xiàn) 30 摘 要 本文針對在普通車床上加工軸類零件存在著生產(chǎn)效率低 要求工人技術(shù)水 平較高等問題 經(jīng)過對普通車床機械傳動裝置的技術(shù)改造 即只保留原機床的 主傳動系統(tǒng)前端 將一臺舊普通車床改裝成數(shù)控機床 經(jīng)改裝的機床提高了零件的加工精度和自動化程度 使生產(chǎn)效率有了很大 的改觀 具有投資小 見效快 改裝工作量少 制作和調(diào)試周期短 舊設(shè)備利 用率高 且將來不加工此類零件時可較容易恢復(fù)機床原有的工作性能等特點 對中小型生產(chǎn)企業(yè)的加工具有一定的實際意義 關(guān)鍵詞 車床 改裝 自動控制系統(tǒng) 機械加工 ABSTRACT This paper is aimed to solve the problem of low efficiency bad accuracy and high demand on the workers technical level through the technical reform on mechanical drive system An old common lathe is refit into a special equipment by using numerical controlled technique The refit machine promoted its processing accuracy and level of automatic control of the parts and greatly improved the productive efficiency and it has the following characteristics small investment better efficiency less refit workload short period of manufacturing and testing high utilization rate of old equipment and easily resume its Former processing function when stopping production of such parts in future it is of practical importance to the small and middle sized enterprises Keywords Lathe refit automatic control system machine 1 前言 我國目前機床總量 380 余萬臺 而其中數(shù)控機床總數(shù)只有 11 34 萬臺 即 我國機床數(shù)控化率不到 3 近 10 年來 我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為 0 6 0 8 萬臺 年產(chǎn)值約為 18 億元 機床的數(shù)控化率僅為 6 這些機床中 役齡 10 年 以上的占 60 以上 10 年以下的機床中 自動 半自動機床不到 20 FMC FMS 等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù) 美國和日本自動和半自動機床占 60 以上 可見我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn) 加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng) 的機床 而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機床 用這種裝備加工出來的產(chǎn) 品國內(nèi) 外市場上缺乏競爭力 直接影響一個企業(yè)的的生存和發(fā)展 所以必須 大力提高機床的數(shù)控化率 而相對于傳統(tǒng)機床 數(shù)控機床有以下明顯的優(yōu)越性 1 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線 曲面等復(fù)雜的零件 2 可以實現(xiàn)加工的柔性自動化 從而效率比傳統(tǒng)機床提高 3 7 倍 3 加工零件的精度高 尺寸分散度小 使裝配容易 不再需要 修配 4 可實現(xiàn)多工序的集中 減少零件在機床間的頻繁搬運 5 擁有自動報警 自動監(jiān)控 自動補償?shù)榷喾N自律功能 可實現(xiàn)長時間無 人看管加工 因此 采用數(shù)控機床 可以降低工人的勞動強度 節(jié)省勞動力 一個人可 以看管多臺機床 減少工裝 縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期 可對市場需求 作出快速反應(yīng) 此外 機床數(shù)控化還是推行 FMC 柔性制造單元 FMS 柔性 制造系統(tǒng) 以及 CIMS 計算機集成制造系統(tǒng) 等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ) 數(shù)控 技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù) 本次設(shè)計的內(nèi)容是機床橫向伺服進(jìn)給機構(gòu)的理論計算 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 并 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文 設(shè)計的目的是培養(yǎng)綜合運用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識 解決工程實際問題的能 力 提高綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力 受到本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn) 練 使工程繪圖 數(shù)據(jù)處理 外文文獻(xiàn)閱讀 程序編制 使用手冊等基本技能 得到訓(xùn)練和提高 培養(yǎng)正確的設(shè)計思想 嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度 加強團(tuán)隊合作 精神 在設(shè)計分析中 先通過參觀及查閱等了解有關(guān)系統(tǒng)的工作原理 作用及結(jié) 構(gòu)特點 選擇合適的算法 根據(jù)計算結(jié)果查閱手冊 得出相關(guān)的結(jié)構(gòu)或零件 2 數(shù)控車床設(shè)計概述 用數(shù)控機床加工零件時 首先應(yīng)將加工零件的幾何信息和工藝信息變成加 工程序 由輸入部分送入數(shù)控裝置 經(jīng)過數(shù)控裝置的處理 運算 按各坐標(biāo)軸 的分量送到各軸的驅(qū)動電路 經(jīng)過轉(zhuǎn)換 放大進(jìn)行伺服電動機的驅(qū)動 帶動各 軸運動 并進(jìn)行反饋控制 使刀具和工件及其他輔助裝置嚴(yán)格地按照加工程序 規(guī)定的順序 軌跡和參數(shù)有條件不紊亂地作 從而加工出零件的全部輪廓 數(shù)控機床具有很好的柔性 當(dāng)加工對象變換時 只需重新編制加工程序即 可 原來的程序可存儲備用 不必像組合機床那樣需要針對新加工零件重新設(shè) 計機床 致使生產(chǎn)準(zhǔn)備時間過長 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床 對于保證和提高被加工零件的精度 主要依靠兩方面來 實現(xiàn) 一是系統(tǒng)的控制精度 二是機床本身的機械傳動精度 數(shù)控車床的進(jìn)給 傳動系統(tǒng) 由于必須對進(jìn)給位移的位置和速度同時實現(xiàn)自動控制 所以 數(shù)控 車床與普通臥式車床相比應(yīng)具有有更好的精度 以確保機械傳動系統(tǒng)的傳動精 度和工作平穩(wěn)性 數(shù)控改造對機械傳動系統(tǒng)的要求為 1 盡量采用低摩擦的傳動副 如滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠螺母副 以減小摩 擦力 2 選用最佳的降速比 為達(dá)到數(shù)控機床所要求的脈沖當(dāng)量 使運動位移 盡可能加速達(dá)到跟蹤指今 3 盡量縮短傳動鏈以及用預(yù)緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度 4 盡量消除傳動間隙 以減小反向行程誤差 如采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié) 和消除傳動齒輪間隙的機構(gòu)等 5 盡景滿足低振動和高可靠性方面的要求 為此應(yīng)選擇間隙小 傳動精 度高高 運動平穩(wěn) 效率高以及傳遞扭矩大的傳動元件 從應(yīng)用的方面考慮 結(jié)合目前國內(nèi)大多數(shù)的情況 可采用更換滾珠絲杠來 代替原機床上的 T 型絲杠 也可對原車床上 T 型絲杠加以修復(fù) 但此時必須相 應(yīng)修配與與此相配合的螺母 盡量減小其間隙 提高配合精度 般說來 如原車床的工作性能良好 精度尚未降低 則應(yīng)盡量保留機床 的傳動系統(tǒng) 使改造后的數(shù)控車床同時具有微機控制和原機床操作的雙重功能 如原車床使用時間較長 運動部件磨損嚴(yán)重 除了對導(dǎo)軌精度進(jìn)行修復(fù)外 還 應(yīng)將傳動部件拆除或更換 以確保改造后車床的傳動精度 數(shù)控機床一般由控制介質(zhì) 數(shù)控裝置 伺服系統(tǒng)和機床組成機床本體的各機械 部件組成 如圖 2 1 電動機的選擇 1 根據(jù)機械的負(fù)載特性和生產(chǎn)工藝對電動機的啟動 制動 反轉(zhuǎn) 調(diào)速等 要求 選擇電動機類型 2 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動頻繁程度等要求 考慮電動機的溫 升限制 過載能力額啟動轉(zhuǎn)矩 選擇電動機功率 并確定冷卻通風(fēng)方式 所選 電動機功率應(yīng)留有余量 負(fù)荷率一般取 0 8 0 9 3 根據(jù)使用場所的環(huán)境條件 如溫度 濕度 灰塵 雨水 瓦斯以及腐蝕 和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)措施 選擇電動機的結(jié)構(gòu)型式 4 根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對功率因素的要求 確定電動機的電壓等級 和類型 5 根據(jù)生產(chǎn)機械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程的要求 以 及機械減速機構(gòu)的復(fù)雜程度 選擇電動機額定轉(zhuǎn)速 此外 還要考慮節(jié)能 可靠性 供貨情況 價格 維護(hù)等等因素 電動機類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇 由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能 旋轉(zhuǎn)速度 輸出功率 動態(tài)剛度 振動抑制等 因此 主軸選用標(biāo)準(zhǔn)與實際使用需要是緊密相關(guān)的 總的來說 選擇主軸驅(qū)動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷 表 1 簡要給出了 用戶所期望的主軸驅(qū)動系統(tǒng)的性能 下面將對各種交流主軸系統(tǒng)進(jìn)行對比 分 析 表 1 1 理想主軸驅(qū)動系統(tǒng)性能 項目 內(nèi)容 低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩 數(shù) 控 裝 置控 制 介 質(zhì) 測 量 裝 置伺 服 系 統(tǒng) 機 床 高性能 寬恒功率范圍 并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩 高旋轉(zhuǎn)精度 高動態(tài)響應(yīng) 高加減速 起制動能力 具有強魯棒性 能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化 高效率 低噪聲 低價格 低購買價格 低維護(hù)價格 低服務(wù)價格 通用要求 耐用性 可維護(hù)性 安全可靠性 感應(yīng)電機交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)是當(dāng)前商用主軸驅(qū)動系統(tǒng)的主流 其功率范圍從零 點幾個 kW 到上百 kW 廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機床上 1 數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生發(fā)展及趨勢 在 1952 年 計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上 在美國誕生了第一臺數(shù)控機床 從此 傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化 近半個世紀(jì)以來 數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段 和六代的發(fā)展 1 1 數(shù)控 NC 階段 1952 1970 年 早期計算機的運算速度低 對當(dāng)時的科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大 但 不能適應(yīng)機床實時控制的要求 人們不得不采用數(shù)字邏輯電路 搭 成一臺機床 專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng) 被稱為硬件連接數(shù)控 HARD WIRED NC 簡稱 為數(shù)控 NC 隨著元器件的發(fā)展 這個階段歷經(jīng)了三代 即 1952 年的第一 代 電子管 1959 年的第二代 晶體管 1965 年的第三代 小規(guī)模集 成電路 1 2 計算機數(shù)控 CNC 階段 1970 年 現(xiàn)在 到 1970 年 通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn) 于是將它移植過來作 為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件 從此進(jìn)入了計算機數(shù)控 CNC 階段 把計算機前面 應(yīng)有的 通用 兩個字省略了 到 1971 年 美國 INTEL 公司在世界上第一次 將計算機的兩個最核心的部件 運算器和控制器 采用大規(guī)模集成電路技術(shù) 集成在一塊芯片上 稱之為微處理器 MICROPROCESSOR 又可稱為中央處 理單元 簡稱 CPU 到 1974 年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng) 這是因為小型計算機功能太強 控制一臺機床能力有富裕 故當(dāng)時曾用于控制多臺機床 稱之為群控 不如采 用微處理器經(jīng)濟(jì)合理 而且當(dāng)時的小型機可靠性也不理想 早期的微處理器速 度和功能雖還不夠高 但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決 由于微處理器是通用 計算機的核心部件 故仍稱為計算機數(shù)控 到了 1990 年 PC 機 個人計算機 國內(nèi)習(xí)慣稱微機 的性能已發(fā)展到很 高的階段 可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求 數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于 PC 的階段 總之 計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代 即 1970 年的第四代 小型計算 機 1974 年的第五代 微處理器和 1990 年的第六代 基于 PC 國外稱 為 PC BASED 還要指出的是 雖然國外早已改稱為計算機數(shù)控 即 CNC 了 而我國仍 習(xí)慣稱數(shù)控 NC 所以我們?nèi)粘Ｖv的 數(shù)控 實質(zhì)上已是指 計算機數(shù)控 了 1 3 數(shù)控未來發(fā)展的趨勢 1 3 1 繼續(xù)向開放式 基于 PC 的第六代方向發(fā)展 基于 PC 所具有的開放性 低成本 高可靠性 軟硬件資源豐富等特點 更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路 至少采用 PC 機作為它的前端機 來處理人機界面 編程 聯(lián)網(wǎng)通信等問題 由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù) PC 機所具有的友好的人機界面 將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng) 遠(yuǎn)程通訊 遠(yuǎn)程診斷 和維修將更加普遍 日本 歐盟和美國等針對開放式的 CNC 正在進(jìn)行前后臺 標(biāo)準(zhǔn)的研究 1 3 2 向高速化和高精度化發(fā)展 這是適應(yīng)機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要 1 3 3 向智能化方向發(fā)展 隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展 數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將 不斷提高 1 應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù) 數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息 并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù) 達(dá)到 改進(jìn)系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的 2 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 將熟練工人和專家的經(jīng)驗 加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中 以工 藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐 建立具有人工智能的專家系統(tǒng) 3 引入故障診斷專家系統(tǒng) 4 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置 可以通過自動識別負(fù)載 而自動調(diào)整參數(shù) 使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行 2 機床數(shù)控化改造的必要性 2 1 微觀看改造的必要性 從微觀上看 數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性 而且這些優(yōu)越性 均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力 2 1 1 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線 曲面等復(fù)雜的零件 由于計算機有高超的運算能力 可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng) 該運動的運動量 因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面 2 1 2 可以實現(xiàn)加工的自動化 而且是柔性自動化 從而效率可比傳統(tǒng)機 床提高 3 7 倍 由于計算機有記憶和存儲能力 可以將輸入的程序記住和存儲下來 然后 按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行 從而實現(xiàn)自動化 數(shù)控機床只要更換一個程序 就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化 從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化 故被稱 為實現(xiàn)了 柔性自動化 2 1 3 加工零件的精度高 尺寸分散度小 使裝配容易 不再需要 修配 2 1 4 可實現(xiàn)多工序的集中 減少零件 在機床間的頻繁搬運 2 1 5 擁有自動報警 自動監(jiān)控 自動補償?shù)榷喾N自律功能 因而可實現(xiàn) 長時間無人看管加工 2 1 6 由以上五條派生的好處 如 降低了工人的勞動強度 節(jié)省了勞動力 一個人可以看管多臺機床 減少了工裝 縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期 可對市場需求作出快速反應(yīng) 等等 以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的 是一個極為重大的突破 此外 機床 數(shù)控化還是推行 FMC 柔性制造單元 FMS 柔性制造系統(tǒng) 以及 CIMS 計算機集成制造系統(tǒng) 等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ) 數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制 造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù) 2 2 宏觀看改造的必要性 從宏觀上看 工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍 民機械工業(yè) 在 70 年代末 80 年代初 已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床 其本質(zhì)是 采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) 包括軍 民機械工業(yè) 進(jìn)行技術(shù)改造 除在制造過程中采用數(shù)控機床 FMC FMS 外 還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行 CAD CAE CAM 虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推 行 MIS 管理信息系統(tǒng) CIMS 等等 以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù) 包括人工智能等的含量 由于采用信息技術(shù)對國外軍 民機械工業(yè)進(jìn)行深入改 造 稱之為信息化 最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大 為增強 而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后 20 年 如我 國機床擁有量中 數(shù)控機床的比重 數(shù)控化率 到 1995 年只有 1 9 而日本 在 1994 年已達(dá) 20 8 因此每年都有大量機電產(chǎn)品進(jìn)口 這也就從宏觀上說 明了機床數(shù)控化改造的必要性 3 機床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場 3 1 機床數(shù)控化改造的市場 我國目前機床總量 380 余萬臺 而其中數(shù)控機床總數(shù)只有 11 34 萬臺 即 我國機床數(shù)控化率不到 3 近 10 年來 我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為 0 6 0 8 萬臺 年產(chǎn)值約為 18 億元 機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6 我國機床役齡 10 年以上的占 60 以上 10 年以下的機床中 自動 半自動機床不到 20 FMC FMS 等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù) 美國和日本自動和半自動機床 占 60 以上 可見我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn) 加工裝備絕大數(shù)是 傳統(tǒng)的機床 而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機床 用這種裝備加工出 來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差 品種少 檔次低 成本高 供貨期長 從而在國際 國內(nèi)市場上缺乏競爭力 直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品 市場 效益 影響企業(yè)的 生存和發(fā)展 所以必須大力提高機床的數(shù)控化率 據(jù)專家預(yù)測 到 2001 年 我國數(shù)控機床消費額可達(dá) 240 2 億元 這些需 求一方面通過購置新設(shè)備來滿足 另一方面 如果充分利用我國的現(xiàn)有的存量 資產(chǎn) 用更新改造后的設(shè)備替代和減少購置新設(shè)備 可以起到事半功倍的效果 以 240 2 億元的需求量估計 即使 10 的需求通過設(shè)備的再生改造來實現(xiàn) 每 年也有 24 億元的市場 3 2 進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場 我國自改革開放以來 很多企業(yè)從國外引進(jìn)技術(shù) 設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù) 改造 據(jù)不完全統(tǒng)計 從 1979 1988 年 10 年間 全國引進(jìn)技術(shù)改造項目就有 18446 項 大約 165 8 億美元 這些項目中 大部分項目為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用 但是有的 引進(jìn)項目由于種種原因 設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運轉(zhuǎn) 甚至癱瘓 使企業(yè)的效 益受到影響 嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境 一些設(shè)備 生產(chǎn)線從國外引進(jìn)以后 有 的消化吸收不好 備件不全 維護(hù)不當(dāng) 結(jié)果運轉(zhuǎn)不良 有的引進(jìn)時只注意引 進(jìn)設(shè)備 儀器 生產(chǎn)線 忽視軟件 工藝 管理等 造成項目不完整 設(shè)備潛 力不能發(fā)揮 有的甚至不能啟動運行 沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用 有的生產(chǎn)線的產(chǎn) 品銷路很好 但是因為設(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo) 有的因為能耗高 產(chǎn)品合格率 低而造成虧損 有的已引進(jìn)較長時間 需要進(jìn)行技術(shù)更新 種種原因使有的設(shè) 備不僅沒有創(chuàng)造財富 反而消耗著財富 這些不能使用的設(shè)備 生產(chǎn)線是個包袱 也是一批很大的存量資產(chǎn) 修好 了就是財富 只要找出主要的技術(shù)難點 解決關(guān)鍵技術(shù)問題 就可以最小的投 資盤活最大的存量資產(chǎn) 爭取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益 這也是一個極大 的改造市場 4 數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺 4 1 國外改造業(yè)的興起 在美國 日本和德國等發(fā)達(dá)國家機床工業(yè)處于不景氣的今天 它們的機床 改造卻是作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè) 生意盎然 處在黃金時代 由于機床以及技 術(shù)的不斷進(jìn)步 機床改造是個 永恒 的課題 我國的機床改造業(yè) 也從老的行 業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè) 在美國 日本 德國 用數(shù)控技術(shù)改造 機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場 已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè) 在美國 機床改造業(yè)稱為機床再生 Remanufacturing 業(yè) 從事再生業(yè)的著 名公司有 Bertsche 工程公司 ayton 機床公司 Devlieg Bullavd 得寶 服 務(wù)集團(tuán) US 設(shè)備公司等 美國得寶公司已在中國開辦公司 在日本 機床改 造業(yè)稱為機床改裝 Retrofitting 業(yè) 從事改裝業(yè)的著名公司有 大隈工程集 團(tuán) 崗三機械公司 千代田工機公司 野崎工程公司 濱田工程公司 山本工 程公司等 4 2 數(shù)控化改造的內(nèi)容 機床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點 其一是恢復(fù)原功能 對機床 生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù) 其二是 NC 化 在普通機床上加數(shù)顯裝置 或加數(shù)控系統(tǒng) 改造成 NC 機床 CNC 機床 其三是翻新 為提高精度 效率和自動化程度 對機械 電氣部分進(jìn)行翻新 對機械部分重新裝配加工 恢復(fù)原精度 對其不滿足生產(chǎn)要求的 CNC 系統(tǒng)以 最新 CNC 進(jìn)行更新 其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新 為提高性能或檔次 或為了使用新工藝 新技術(shù) 在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新 較大幅度地提高水平和檔 次的更新改造 第三章 C6140 車床數(shù)控化改造總體設(shè)計方案 進(jìn)給系統(tǒng)的特點是速度低 消耗功率小 而速度越低越易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象 一般的倒軌是由于受摩擦力下降的影響 很難滿足高精度的要求 特別是對于 數(shù)控而言更不能適應(yīng)精度要求 而滾珠絲杠副基本上是滾動摩擦 摩擦阻力小 切摩擦阻力的大小幾乎與運動速度完全無關(guān) 這樣就有效的保證了運動的平穩(wěn) 性 克服了爬行現(xiàn)象 軸向剛度高 壽命長 維護(hù)簡單且具有傳動可逆性并反 向精度高等優(yōu)點故而選用滾珠絲杠螺母副傳動 C6140 型普通車床是一種加工效率高 操作性能好 并且社會擁有量較大 的普通型車床 經(jīng)過大量實踐證明 將其改造為數(shù)控機床 無論是經(jīng)濟(jì)上還是 技術(shù)都是確實可行了 一般說來 如果原有車床的工作性能良好 精度尚未降低 改造后的數(shù)控 車床 同時具有數(shù)控控制和原機床操作的性能 而且在加工精度 加工效率上 都有新的突破 本設(shè)計主要是對 C6140 普通型車床進(jìn)行數(shù)控改造 用微機對縱 橫進(jìn)給系 統(tǒng)進(jìn)行控制 系統(tǒng)可采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制 開環(huán)控制雖然有不穩(wěn)定 振動 等缺點 但其成本較低 經(jīng)濟(jì)性較好 車床本身所進(jìn)行的加工尺寸是粗 半精 加工 驅(qū)動原件采用步進(jìn)電動機 系統(tǒng)傳動主要有 滑動絲杠螺母傳動和滾珠 絲杠螺母傳動兩種 經(jīng)比較分析 前者傳動效率及精度較低 后者精度和效率 高 但成本高 考慮對車床的性能要求 故采用滾珠絲杠螺母傳動 刀架性能 要求是準(zhǔn)確快速的換刀 因此采用自動轉(zhuǎn)位刀架 由于是對車床進(jìn)行數(shù)控改造 所以在考慮具體方案時 基本原則是在滿足 使用前提下 對同床的改動盡可能少 以降低成本 根據(jù)這一原則 決定數(shù)控 系統(tǒng)采用開環(huán)控制 傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母傳動 驅(qū)動元件采用步進(jìn)電動 機 數(shù)控系統(tǒng)采用 JWK 型系統(tǒng) 刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架 這樣車床既保留原有 功能 又減少了改造數(shù)量 第四章 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 1 經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床的設(shè)計 采用步進(jìn)電動驅(qū)動縱向進(jìn)給 有兩種方案 一種 是步進(jìn)電機驅(qū)動絲杠螺母固定在溜板箱上 第二種是縱絲杠固定 電機安裝在 溜板箱上 驅(qū)動螺母傳動 對于車床的改造而言 采用第一種方案顯然簡單易 行 所以步進(jìn)電機的布置 可放在絲杠的任意一端 從改裝方便 實用等方面 考慮 所以將步進(jìn)電機放在絲杠的左端 2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 已知條件 工作臺重量 W 80kgf 800N 時間常量 T 25ms 行 程 s 640mm 步 驅(qū) 角 2 0 75 o step 快速進(jìn)給速度 Vmax 2m ms 脈沖當(dāng)量 8p 0 01mm 8tep 1 切削力的計算 由 機床設(shè)計手冊 得公式 No Nd 公式一 其中 N O 為傳動件的額定功率 Nd 主電機的額定功率 見使用說明書得 Nd 4 5 kw 從電機到所計算的傳動軸的傳動效率 不含軸承的效率 從電機到傳動軸經(jīng)過皮帶輪和齒輪兩種傳動件傳動 所以 n 1 n2 由 機床設(shè)計手冊 得 n1 0 96 n2 0 99 所以 0 96 0 99 0 9504 取 0 95 即 N 4 0 95 3 8 kw 又因為主傳動系統(tǒng)效率一般為 0 6 0 7 之間 所以取 0 65 所以 NC 進(jìn)給效率 3 8 0 65 2 47 kw 由 機械加工工藝手冊 得 Pm 9 8 公式二 3106 VsFZ 2 z 式中 Vs 切削速度 設(shè)當(dāng)其為中等轉(zhuǎn)速 工件直徑為中等 時 如 D 40mm 時 取 Vs 100m min 主切削力 FZ 151 164 Rgf 1511 64N6120 47 由 機床設(shè)計手冊 得主切削力 FZ CFzapxfx fyfz kfz 經(jīng)驗公式 CFza pxfx fyfz kfz 公式三 對于一般切削情況 切削力中的指數(shù) xfx 1 FZ 0 75 Kfz 0 CFZ 188kg 2 1880Mpa F2 的計算結(jié)果如下 ap 2 2 2 3 3 3 f 0 2 0 3 0 4 0 2 0 3 0 4 Fz N 105 1524 1891 1681 2287 2837 為便于計算 所以取 Fz 1511 7N 以切削深度 ap 2 走刀量 f 0 3 為以下計算以此為依據(jù) 由 機械床設(shè)計手冊 得 在一般外圓車削時 Fx 0 1 0 6 FZ Fy 0 15 0 7 Fz 取 Fx 0 5 Fz Fy 0 6Fz Fx 0 5 1511 7 755 9 N Fy 0 6 Fz 0 6 1511 7 907 0 N 2 滾珠絲杠的設(shè)計計算 由 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機床總設(shè)計 綜合車床導(dǎo)軌絲杠的軸向力得 P RGx f Fz w 公式四 其中 R 1 15 f 0 15 0 18 取 f 0 16 P 1 15 755 9 0 16 1511 7 800 1239 2 N 強度計算 1 壽命值 Li 公式五 60nTi ni 公式六 oDvf 由 機床設(shè)計手冊 得 Ti 15000h 原機床絲杠螺距為 60 D 80 ni 19 9 20 r min 14 3680 Li 1852 最大動負(fù) Q PfwfH 公3Li 式七 其中 運載系數(shù) fw 1 2 硬度系數(shù) Fh 1 Q 1 2 1239 2 1318 3897 1 N 根據(jù)最大動力負(fù)載荷 Q 的值 查表選擇滾珠絲杠的型號為 W5010 3 5 1 查表得數(shù)控車床的縱向精度為 B 級 左旋 即型號為 W5010 3 5 1 B 900 1000 其額定載荷是 3970N 效率計算 2 根據(jù) 機械基礎(chǔ) 得 絲杠螺母副傳動效率為 公式八 4 rtg 由 機床設(shè)計手冊 得 4 一般為 8 12 取 4 10 即 摩擦角 4 10 螺旋升角 中徑處 r 3 O25 則 0 953 01523 tg 剛度驗算 3 滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程變化量 L1 公式九 EFLo 其中 L O 10 1 E 20 6 106N 2 滾珠絲杠橫截面積 F d 為滾珠絲杠外徑2a 2 3 145 48 18 47 2 則 L1 3 256 10 6 3 27um47 1806 39 查 機床設(shè)計手冊 B 級精度絲杠允許的螺距誤差 900 螺絲長度 為 25nm m 因此 絲杠的剛度符合要求 即剛度足夠 穩(wěn)定性驗算 由于原機床杠徑為 30 現(xiàn)選用的滾珠絲杠為 50 支承方式不變 所以 穩(wěn)定性不成問題 無需驗算 齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計算 5 此齒輪為普通減速器的齒輪且減速器為一般機器 沒有特殊要求 從降低 成本 減小結(jié)構(gòu)尺寸和易于取材的原則出發(fā) 決定小齒輪選用 45 鋼調(diào)質(zhì) 齒面 硬定為 217 255HBS 大齒輪選用 45 正火 齒面硬度 169 217 HBS 傳動比 i 360892 OL 其中 2 表示步驅(qū)角 89 表示脈沖當(dāng)量 i 2 11 75 取齒數(shù) z1 30 Z2 63 模數(shù) m 2mm 嚙合角為 200 小齒輪齒寬為 25 大齒輪齒寬 20 d1 mz1 2 30 30 d2 mz2 2 63 126 da1 m z1 2 2 30 2 64 a 932 1d 60 齒輪傳動精度 計算齒輪圓周速度 V V 4 2 m s 4106 dn 4061 3 根據(jù)齒輪圓周速度和對噪音的要求確定齒輪精度等級側(cè)隙分別為 小齒輪 8GJ 大齒輪 8FL 傳動慣量的選擇 6 工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 J1 2W8910兀 2 8075 43 0 467kg 2 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 Js 7 8 10 4D4L1 7 8 4 50 4 14 9 7 26 kg 2 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 JZ1 7 8 10 4 60 4 2 2 02 kg 2 JZ1 7 8 10 4 126 4 2 39 32 kg 2 由于電機的傳動慣量很小 一般可忽略不記 所以總的傳動慣量為 J 總 Js Jz2 Jz1 J121i 7 26 39 32 2 022 0 467 14 50 kg 2 145 0 N 2 所需轉(zhuǎn)動力矩的計算 7 快速空載啟動時所需力矩 M Mmamx Mf MO 公式十二 最大切削負(fù)載時所需力矩 M Mat Mf MO Mt 公式十三 快速進(jìn)給時所需力矩 M Mf MO 公式十四 式中 Mmamx 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩 Mf 折算到電機軸上的磨擦力矩 MO 由于絲杠預(yù)緊所引起 折算到電機軸上的附加摩擦力矩 Mat 切削時折算到電機軸上的加速度力矩 Mt 折算到電機軸上的切削負(fù)載力矩 Ma 10 4 N m 其中 T 0 025 公式十五 TJn 6 9 當(dāng) n nmax 時 Mamax Ma nmax 400 r min loiVmax102 Mamat 10 4 24 17 kgf cm 5 694 241 7 N cm nt lo fiDV 10 25 08 r min 84 31 2 Mat 10 4 1 51 kgf cm 05691 15 1 N cm Mf iFoL 2iWf 當(dāng) 0 8 f 0 16 時 Mf 1 213 kg cm 1 2804 3216 m 12 13 kg cm MO 1 o2 iPL 6 當(dāng) 0 9 時 預(yù)加荷 PO Fx31 MO 6 2 FxLo1 2904 6 57 m 0 4033 4 03 N cm Mt ifx 2 1 39 6 368 kg cm 63 68 N m 所以 快速空載啟動所需力矩 M 快空 Mamax Mf M O 241 7 1 213 4 03 257 86 N cm 切削時所需力矩 M 切 Mat Mf M O Mt 15 1 12 13 4 03 63 69 94 95 N cm 快速進(jìn)給時所需力矩 M 快速 Mf M O 12 13 4 03 16 16 N cm 由以上計算可得 所需最大力矩 Mamax 發(fā)生快速啟動時 Mamax M 快速 257 86 N cm 第五章 步進(jìn)電機的選擇 5 1 一步進(jìn)電動機選用原則 合理選用步進(jìn)電機是比較復(fù)雜的問題 需根據(jù)電機在整個系統(tǒng)中的實際工 作情況 經(jīng)過分析后才能正確的選擇 5 1 1 步距角應(yīng)滿足 mina 式中 i 傳動比 amin 系統(tǒng)對步進(jìn)電機所驅(qū)動部件的最小轉(zhuǎn)角 5 1 2 精度 步進(jìn)電機的精度可用步距誤差或積累誤差衡量 積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意 位置開始 經(jīng)過任意步后 轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值 用積累 誤差衡量精度比較實用 所選用的步進(jìn)電機應(yīng)滿足 Qm i Qs 式中 Qm 步進(jìn)電機的積累誤差 Qs 系統(tǒng)對步進(jìn)電機驅(qū)動部分允許的角度誤差 5 1 3 轉(zhuǎn)距 為了使步進(jìn)電機正常運行 不失步 不越步 正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的要 求 必須考慮 啟動力矩 一般啟動力矩選取為 Mq 0 3 5lM 式中 Mq 電機啟動力矩 ML0 電機靜負(fù)載力矩 在要求在運行頻率范圍內(nèi) 電機運行力矩應(yīng)大于電動機的靜載力矩與電 動機的轉(zhuǎn)動慣量 包含負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量 引起的慣性矩之和 5 1 4 啟動頻率 由于步進(jìn)電機的啟動頻率隨負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低 因此相應(yīng) 負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)滿足 fi fop m 其中 fi 極限啟動頻率 fop m 要求步進(jìn)電機最高啟動頻率 5 2 二步進(jìn)電機的選型 C6140 縱向進(jìn)給系流步進(jìn)電機的確定 Mq 取參數(shù)為 0 40 3 5lM 27864 644 6 N m 為了滿足最小步距要求 電動機選用三相六拍工作方式 查手冊得知 Mq Mjm 0 866 所以步進(jìn)電機最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjm 為 fmax 3333 3 HZ max6089V2 1 綜合考慮 查表選用 110BF003 型直流步進(jìn)電機能滿足使用要求 總 結(jié) 畢業(yè)設(shè)計是對我們?nèi)陮W(xué)知識的一次總結(jié)和應(yīng)用 是對我們自身能力的一 次檢驗 通過這次檢驗 能讓我們知道自己的不足 在以后的工作生活中 不 斷的改進(jìn) 學(xué)習(xí) 以原野高自己的綜合能力 三年專業(yè)知識的學(xué)習(xí) 其間也做過課程設(shè)計 對所學(xué)課程進(jìn)行過知識的系 統(tǒng)運用 但各課程綜合運用較少 本次設(shè)計 讓我們對三年的知識有了總體的 綜合運用 提高了我們綜合能力和靈活運用所學(xué)的基礎(chǔ)理論的能力 各科之間 的聯(lián)系有了清晰的認(rèn)識 機械專業(yè)雖然是一門很成熟的專業(yè) 然而對我們來說 我們懂得知識還很 有限 要在這方面有所提高 我們還必須在基礎(chǔ)理論上下功夫 以理論聯(lián)系實 際 才能使我們的知識有一個量變到質(zhì)變的飛躍 以后的學(xué)習(xí)道路還很長 人生就是在不斷地學(xué)習(xí)中提高自己 而畢業(yè)設(shè)計也給 了我們自信 讓我們相信以后會做得更好 在這次的畢業(yè)設(shè)計中 由于首先接觸這燈課題的設(shè)計和設(shè)計的資料準(zhǔn)備不 足 時間的緊迫可能在設(shè)計中出現(xiàn)很大的問題 盡管在指導(dǎo)老師的全力指導(dǎo)下 錯誤也再所難免 這樣 讓我有了一次知識的重新積累 參考文獻(xiàn) 1 范超毅 數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計 M 武漢 華中科技大學(xué)出版社 2007 2 濮良貴 機械設(shè)計 M 北京 高等教育出版社 2001 3 劉朝儒 機械制圖 M 北京 高等教育出版社 2001 4 鄧志平 機械制造技術(shù)基礎(chǔ) M 成都 西南交通大學(xué)出版社 2004 5 胡秋 數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 J 機床與液壓 2004 6 55 56 6 鄒小琦 數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度 J 南昌大學(xué)學(xué)報 1997 4 84 87 7 王愛玲 白恩遠(yuǎn) 現(xiàn)代數(shù)控機床 M 北京 國防工業(yè)出版社 2003