普通车床数控化改造——进给系统及刀架设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

普通车床数控化改造——进给系统及刀架设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

低摩擦要求，选用滚珠丝杠、螺母传动副做传动和导向元件，可以直接选用减速步进电机，以缩小传动链，提高系统刚度，并减少传唐 山 学 院 毕 业 设 计 6 动链误差。 滚珠丝杠、步进电机之间采用联轴器连接。 选用两步 进电机分别驱动纵向和横向的滚珠丝杠以实现进给运动。 5）刀架系统要求 采用电动四方刀架，可使机械结构简单，省去大量液压管路。 6）数控系统要求 采用开环控制系统，系统中没有反馈电路，不带检测装置，指令信号单方向传递。 开环控制系统结构简单，成本低廉、易掌握，调试和维护比较方便简单，己广泛应用于一些数控车床。 改造方案确定 本设计属于经济型数控化改造，基本原则是在满足使用要求的前提下，对车床的改动尽可能少。 总体设计 改造 方案 为： ( 1 ) 车床主轴正、反转和主轴变速 , 在主轴的尾部安装脉冲发生器将转 速信息传给计算机系统。 ( 2 ) 车床纵、横两个方向的进给运动控制 , 通常由步进驱动器控制的步进电机带动滚珠丝杠来实现，由数控系统控制要实现两个方向的进给运动的联动。 ( 3 ) 刀架能在换刀点自动改变四个刀位完成换刀功能。 刀架旋转和换刀是通过数控系统内置的可编程控制器控制三相异步电动机来实现。 ( 4 ) 数控系统选用南京菁华数控工程有限公司生产的 JWK－ 15T 数控系统。 ( 5 ) 驱动系统的选择 : 主轴驱动系统采用原有电动机驱动 , 进给驱动系统可以采用步进驱动器和步进电机。 纵向进给机构的的具体 改造方案：拆除原机床的进给箱、溜板箱、传动丝杠、光杠和操纵杠，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱和电机。 综合考虑机床性能及经济性要求，选用开环控制的步进电机作为纵向进给运动的动力源。 步进电动机通过减速装置与滚珠丝杠相连实现机床的进给运动。 横向进给机构的具体改造方案： 同纵向进给系统改造相似，采用步进电机带动滚珠丝杠结构，原有的支撑结构保留，步进电机安装在中拖板的后侧。 此外，普通车床改装后即变成经济型数控车床，其工作时要求刀架能自动换位。 本设计自动回转刀架采用电动四方刀架，且要求选取的自动回转刀架必须 具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力，同时保证回转刀架每次转位的重复定位精度 [4]。 唐 山 学 院 毕 业 设 计 7 综上，对纵向、横向进给系统及刀架的改造设计方案如图。 数控化改造步骤 1）对加工对象进行工艺分析。 确定工艺方案加工对象是机床改造的依据，不同工件和技术要求其加工方法不同，一般是在分析零件基础绘制工序图，初步选定切削用量、刀具运动路线，估算生产效率，计算切削力、切削功率，从而计算出进给系统需要的功率和力矩，作为选择主轴及进给系统的依据。 2） 分析被改造机床，确定改造类型。 改造机床是围绕机床本身系统加以改进，即考虑原有结构的改进，又考虑附件的改进，根据对原机床的技术规格、技术参数、各部分尺寸的分析，改造后车床为经济型数控车床，主轴转速及最大加工件尺寸和加工螺纹功能不变。 3) 准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。 4) 验收工作。 改造的后期工作也很重要，验收工作应按已制定的验收标准进行，主要包括机床机械性能的验收，电气控制功能和控制精度的验收，试件切削验收。 图 车床总体改造方案 唐 山 学 院 毕 业 设 计 8 3 传动及进给系统改造设计 设计参数 对 CA6140 机床，最大 加工直径 :床面上 φ 400 mm，床鞍上 φ 210 mm；最大加工长度 : 750 mm；溜板及刀架重力 : 纵向 800 N，横向 600 N；刀架快速移动速度 : 纵向 24m/min, 横向 12 m/min；最大进给速度 : 纵向 3 m/min, 横向 ；主电动机功率 : kW；起动加速时间 : 30 ms。 根据机床精度要求确定脉冲当量 , 纵向 : ；横向 : mm/步。 传动部分改造设计 对普通车床进行数控改造时，一般可保留原有的主传动系统和变速操纵机构。 这样既保留了 车床的原有功能，又减小了改造量。 经济型数控车床上加工螺纹或丝杠，需要配置主轴脉冲发生器作为车床主轴信号的反馈元件，其与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化信号，输送到数控系统。 主轴脉冲发生器的安装，通常有两种方式：一是同轴安装，二是异轴安装。 脉冲发生器属精密光学元件，安装时应格外小心，避免损坏光栅盘。 因主轴直径较大且其结构复杂，常采用异轴安装。 通常在加工螺纹时将其安装，不使用时将其断开，避免不必要的磨损和信号干扰，延长主轴脉冲发生器的使用寿命。 由于增量式脉冲编码器结构简单、价格低、精度易于保证，并且能 准确测量出回转件的旋转方向、旋转角度和旋转角速度，是经济型数控机床的优先选择，并且市场上该类产品很多，直接购买即可。 进给系统改造设计 进给系统作为车床的一个重要组成部分，其性能的优劣，直接影响零件的加工质量和生产效率。 而数控车床进给系统承担了数控车床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进给，进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度。 为此，对车床进给传动系统要求是：低惯量，低摩擦阻力，高刚度，高谐振，无间隙传动。 唐 山 学 院 毕 业 设 计 9 纵向进给系统改造设计 普通 车床的经济型数控改化造方案一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。 我们可以直接选取减速步进电机作为进给系统的动力源，以增加系统整体的刚度，减小传动链对加工精度的影响。 减速步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端，对改造来说，外观不必像产品设计要求那么高，而从改造方便、使用方面来考虑，将其设在纵向丝杠的左端，即车床主轴箱前部，如图 所示 [5～ 6]。 图 传动系统原理图 1. 纵向切削力的计算和主传动电机功率的校核 由《机械工程手册》第二版“机械制造工艺设备 (二 )分册可 知： 切削功率 Pm ： （ 31） 式中， Fc— 切削力 (N) Vc— 切削速度 (m/s) 主传动电机功率 PE： （ 32） 式中， η m — 传动效率， η m =～。 车削时总切削力分解为：切削力 Fc、进给力 Ff、背向力 Fp。 3 10m c cP F V K W=mmE PP η=唐 山 学 院 毕 业 设 计 10 切削力 Fc： （ 33） 进给力 Ff： （ 34） 背向力 Fp： （ 35） 式中， ap — 背吃刀量 (mm) f — 进给量 (m/r) Vc — 切削速度 (m/min) 根据厂家提供 CA6140 的参数，然后以 Q235 钢为加工材料，进行设计计算。 加工零件的最大直径 d=400mm，主轴最大转速 n=1400r/min，刀具选择 YT5 和 YTl5 硬质合金焊接式车刀。 (1)粗车时 刀具选择 YT5，对于长径比小于 200:1，背吃刀量 ap=，进给量 f =～，切削速度 Vc =60～ 75m/min。 查《机械工程手册》第二版“机械制造工艺设备 (二 )表 得： CFc=2650； XFc=1； YFc=； nFc=； KFc=1； CFf=2880； XFf=1； YFf=； nFf=； KFf=1。 机床主轴转速： 取工件毛坯直径 d=410mm，切削速度 Vo =70m/min，则主轴转速 n： 查 CA6140 机床主轴转速系列，可选主轴转速 n为 63r/min。 则可计算出切削力 Fc、进给力 Ff、背向力 Fp 的值 切削力 Fc： 进给力 Ff： F c F c F cc X Y nc F p F cF C a f V c K=F f F f F ff X Y nf F p F fF C a f V c K=F p F p F pX Y np F p p F pF C a f V c K=m in/ 1 0π 701 0 0 0πd1 0 0 0 rVn c = ==NKVfapCF FcncYXFcc FcFcFc 0 .1 ===NKVfaCF Ffn FfcYXpFff FfFf 0 . ===唐 山 学 院 毕 业 设 计 11 背向力 Fp： 切削功率 Pm ： 主传动电动机功率 PE ： 即 CA6140 普通车床提供的主传动电机功率 满足粗车要求。 (2)精车时 计算机床主轴转速 取工件直径 d=400mm，切削速度 Vc=140m/min，则主轴转速 n 查 CA6140 机床主轴转速系 列，可选主轴转速 n为 125r/min 则可计算出切削力 Fc、进给力 Ff、背向力 Fp 的值 切削功率 Pm： 主传动电机功率 PE： 即 CA6140 普通车床提供的主传动电机功率 满足精车要求。 (3)计算结果的比较 粗车和精车时切削力 Fc、进给力 Ff、背向力 Fp 的计算结果见表 3l 所示。 表 3l Fc、 Ff、 Fp 计算结果 车削 类型 工件直径(mm) ap (mm) f (m/r) Vc (m/min) n (r/min) Fc(N) Ff(N) Fp(N) 粗车 410 70 63 2888 1267 1073 NKVfaCF FpncYXpFpp FpFpFp 0 0 . ===KWVFP ccm 871010 33 =247。 ==KWKWPP mmE ===m in/ 1 14 0 0π 1 4 01 0 0 0π1 0 0 0 rd Vn c = ==NFNFNFpfc 0011 95 0 9711 88 0 69 811 65 00 . 0 . 0 . 1 ======KWVFP ccm 33 =247。 ==KWKWPP mmE === η唐 山 学 院 毕 业 设 计 12 精车 400 2 140 125 1698 598 600 经比较，粗车时的切削力比精车时大，因此本系统数控化改造设计计算按照粗车时的切削参数进行。 2. 纵向滚珠丝杠设计计算 滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择[7～ 8]。 (1)计算纵向滚珠丝杠轴向力 F 综合车床导轨对滚珠丝杠的作用可算得纵向滚珠丝杠轴向力 F : (3－ 6) 式中， f’ — 当量摩擦系数，对正常润滑的滑动导轨，三角形和矩形导轨 ,f’ =～。 K — 倾覆力矩影响系数，三角形和矩形导轨 K =～。 则 (2)寿命计算 寿命系数 Kh： 式中 Lh— 滚动螺旋副的寿命，从《机械传动装置设计手册》上册表 ～ 25查得， Lh =l5000h。 转速系数 Kn： 基本额定载荷 Ca: (3— 7) 式中， KF、 KH、 KL— 分别为载荷系数、硬度系数、短行程系数，对中等冲击，从《机械传动装置设计手册》上册表 10— 2 10— 2 10— 28查得， KF =～ ，取值 ；硬度最大为 60HRC 时 KH 取值 ；行程系数最小为 1是 KL 取值。 (3)选择滚珠丝杠的型号 根据计算的基本额定载荷 Ca≥ ，查《机械 零件设计手册》上册表 G18— 4，33 15000 3 .1 15 0 0 5 0 0hh LK = = =333 3 . 3 3 3 . 3 0 . 8 163nK n===39。 ( )f c pF K F f F F G= + + +KNFKKKKKC LHFnha ≥ ==N 24 35 . 0 014 70 )10 73 . 7 8( 28 87 . 850. 1812 67 . 2 61. 15 F =+++=。