1、 兰州理工大学 毕 业 设 计（论 文） 题 目： C6140 型卧式车床的数控化改造 及 液压尾座设计 院 （系） ： 专 业： 班 级： 学生姓名： 导师姓名： 职称： 起止时间： 目 录 摘要 2 Abstract 3 绪论 4 第一章 C6140 车床进给伺服系统改造方案的拟订 6 1.1 总体方案确定 6 1.2 C6140 车床的设计 参数 7 第二章 C6140 车床进给伺服系统机械部分设计计算 8 2.1 进给伺服系统机械部分的 改造方案 8 2.2 进给伺服机构机械部分的设计计算 9 2.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型、 校核 9 2.4 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数 14
2、2.5 齿轮传动比计算 15 第三章 C6140 车床进给部分电机的选择 16 3.1 纵向进给步进电机计算 16 3.2 横向进给步进电机计算 19 第四章 液压尾座部分设计 23 4.1 液压尾座 研究背景和意义 23 4.2 液压尾座 研究背景和意义 23 4.3 液压尾座的设计 23 4.4 尾座精度设计 23 总结 25 参考文献 26 致谢 27 外文资料及中文翻译 28 摘 要 数控 机床在机械制造业中发挥着巨大的作用 ,但数控机床一次性投资较大 ,对机床进行数控化改造不失为一良策。 C6140 车床主轴转速部分保留原车床的手动变速功能 ,改造简单易行 ,可降低劳动强度 ,提高生
3、产效率。主要介绍了经济型数控机床进给 (纵向 )伺服系统设计计算。阐述了 C6140 普通数控车床的主轴系统的改进及机床控制系统的改造。 本课题的目的在于设计出与 数控卧式车床 C6140相匹配的 液压尾座系统 。本课题将以数控卧式车床 C6140的液压尾座 为研究对象，设计出符合 数控卧式车床 C6140的液压尾座 。 为了完成本课题的设计 ，在设计之前的准备工作必须做好，首先是搜集和分析资料，包括国内外数控机床的发展现状及趋势；液压技术和液压传动系统的基本资料；同等机床液压尾座的图纸和资料等。其次是初步确定液压尾座的总体布局，包括配置形式、液压系统的布置及选择液压能源及相应的配套元件等。最
4、后主要是关于尾座的设计。 C6140 数控机床液压尾座设计的主要内容是尾座体、套筒、顶尖、尾座孔系、尾座导轨，挠度、转角、液压缸内径及压板处螺栓直径、锁紧力的计算及校核。其中选择莫氏 4号锥度的尾座顶尖，是利用莫氏锥度自身的结构特性来卡紧尾座顶尖的，它解决了顶尖 在工作时会出现松动或转动现象。在套筒中设计了滑键槽和顶尖顶出孔，解决了顶尖在工作时会随套筒转动从而影响工件的加工精度；还在套筒中设计了顶卸的装置，便于顶尖的拆卸。 关键词： C6140 车床 数控改造 滚珠丝杠 步进电动机 尾座 液压系统 液压缸 设计 校核 Numerical Control Transform of C6140Co
5、mmon Lathe And Design of C6140 CNC Machine Tailstock Hydraulic System Abstract The NC machine plays a verygreat role in mechanical engineering. Although the investment needs a great deal of money, it is a good way to try digital modification for ordinary lathe. The spindle speed of C6140 remains the
6、 manual function of shifting gears. The alteration is easy and it can reduce labor intensity and improve productive efficiency. Introduces the design calculation of servo system on economic NC machine tools. It also tells us howto improve the spindle and the control system of C6140 NC lathe. The mai
7、n purpose of the research is based on C6140 CNC machine tools to design requirements, designed to match its hydraulic Tailstock to meet the rotation accuracy, rigidity, temperature rise, and so on seismic requirements, to enhance the overall performance of machine tools. To accomplish this design, I
8、 collected and analysed the information before the design, including domestic and international development of CNC machine tools; hydraulic system of hydraulic technology and the basic information; equal hydraulic machine Tailstock the drawings and information . Then is tentatively determined the ov
9、erall layout of hydraulic Tailstock, including the allocation of form, layout and the hydraulic system of hydraulic energy, and select the appropriate matching components, such as. This was followed by the main Tailstock the design and calculation. The main design of C6140CNC machine tools is that t
10、he tailstock, top and the hole, the tailstock, and they are allowed to produce cantilever deflections corner, hydraulic cylinder bore diameter and pressed the bolt in place, the locking force of the school. One of the nuclear option morse the cone at the end of the top and is using its own structure
11、 of the cone morse the nature of the top card up its tail, it addresses the top of the work that is coming loose. The turning or pivoting in the design of cylinder and the top of a punch to the top of the work will turn to the influence of the processing of precision ;It was set in the design of the
12、 top of the device to the top down. Key words ： The C6140 lathe; digital modification; ball screw; stepping motor ； machine;tailstock;hydraulicsystem;hydraulic cylinder inside diameter;design;examination 绪 论 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改 型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强 、 加工精度高 、加工质量稳定和生产效率
13、高等优点。它综合应用了电子计算机 、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。 一、数控机床的产生 数控机床最早是从美国开始研制的。 1948 年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。 1949 年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于 1952 年试制成功世界上第一台 数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床 。经过三年改进和自动编程研究，于 1955 年进入实用阶段。一直到 20 世纪 50 年代末，由于价格和技
14、术原因，品种多为连续控制系统。到了 60 年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床 、 冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机 、 火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。 二、数控机床的发展 自 1952 年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技 术 、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。 第一代数控： 1952-1959 年采用电子管元件构成的专用数控装置。 第二代数控：从 1959 年开始采用晶体管电路
15、的 NC 系统。 第三代数控：从 1965 年开始采用小、中规模集成电路的 NC 系统。 第四代数控：从 1970 年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。 第五代数控：从 1974 年开始采用微型电子计算机控制的系统。 目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代 数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩
16、小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。 近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化 生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。 三、我国数控机床的发展概况 我国从 1958 年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从 1965 年开始，研制晶体管数控系统，直到 60 年代末和 70 年代初，研制的劈锥数控铣床 、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究。 1972-1
17、979 年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心 机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从 80 年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国 GE 公司的 MTC-1 数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出 BSO3 经济型数控系统和 BSO4 全功能数控系统，航空航天部 706 所研制出 MNC864 数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品
18、种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。 四、数控机床的发展 趋势 从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。 在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的 FANCU，德国的 SIEMENS 和美国的 A-B公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了 16位和 32位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到 1MB 以上，机床分辨
19、率可达 0.1 微米，高速进给 可达 100m/min,控制轴数可达 16 个，并采用先进的电装工艺。 在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。 五、数控机床改造的意义 数控机床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门，早在 60 年代已经开始迅速发展，其发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。我国是拥有 300 多万台机床的国家。而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床，不论资金和我国机床制 造厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我国
20、现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。用数控技术改造机床，正是适应了这一要求。它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的通用性与可调性。而且所投入的改造费用低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的 1/3 至 1/5，用户承担的起。从若干单位成功应用的实例可以证明，投入使用后，确实成倍地提高了生产效率，减少了废品率 ，取得了显著的技术经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我
21、国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。同时，它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积累维护、使用经验，而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化的方向过渡的主要内容之一 第一章 C6140 车床进给伺服系统改造方案的拟订 1.1 总体方案确定 C6140 车床数控改造方案本文改造后的结构是一种非常典型卧式车床的数控改造结构，改造时拆除原机床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱、挂轮箱的挂轮、原手动刀架及手柄等部件，用滚珠丝杠替换原有普通丝杠、用电动刀架替换原有的普通刀架。纵向和横向进给采用步进电动机及减速器驱动，横向步进电动机
22、及减速器装置安装在机床床鞍的后部，纵向的步进电动机减速器装置安装在机床的右端。 由于被改装的机床本身的机械结构不是按数控机床的要求设计的，其精度和刚度等性能指标往往不能满足数控机床的要求，因此将普通机床改造为全功能的数控机床，一味追求先进指标则会得不偿失，所以确定总体方案的原则应当是在满足生产需要的前提下，对原机床尽可能减少机械部分的改动量，选择简单易用的数控系统，达到合理的性价比。本次改造设计要求就是根据这一原则提出的。根据设计要求、依据设计参数及机床数控改造的理解，总体方案确定如下： （ 1）系统的运动方式与伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控机床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停
23、、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 （ 2） .机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传 动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳度，尽量减少摩擦量力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。 1.2 C6140 车床的设计参数 根据型普通原始数据及数控改造设计要求，确定主要如下： 最大加工直径： 车床身上： 400mm 车床鞍上： 210mm 最大加工长度： 1000mm 快进速度： 纵向
24、2.4m/min 横向 1.2m/min 最大切削进给速度： 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min 脉冲当量： 纵向 0.01mm/step 横 向 0.005mm/step 脉冲分配方式： 逐点比较法 控制坐标数： 2 机床定位精度： 0.015 溜板及刀架重力： 纵向： 800N 横向： 600N 自动生降速性能： 有 起动加速时间： 30ms 主电机功率： 7.5Kw 第二章机床进给伺服系统机械部分的设计和计算 2.1 进给伺服 系统机械部分的结构改造设计方案 2.1.1 纵向进给机械结构改造方案 拆除原机床的进给像、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱和滚珠丝杠
25、螺母副。为了提高支承刚度，采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式。齿轮间隙采用双薄片调隙方式。 利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杆仍安置在原来的位置，两端仍采用原固定方式。这样可减少改装工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，且外径比原先的大，从而使纵向进给整体刚度只可能增大。 纵向进给机构都采用了一级齿轮减速。双片齿轮间没有加弹 簧自动消除间隙。因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载大时，弹簧弹力显小，起不到消除间隙之目的；当负载小时，弹簧弹力又显大，则加速齿轮的磨损。因此，采用定期人工调整、螺钉紧固的办法消除间隙。 2.1.2 横向进给机械结构改造方案 拆除原
26、中拖板丝杆，安装滚珠丝杆副，为提高横向进给系统刚度，支承方式采用两端装止推轴承。步进电机、齿轮箱安装于机床后侧，为了使减速机构不影响走刀，同时消除传动过程的冲击，减速机构采用二级传动，从动轮采用双薄片错位消除间隙。 2.2 进给伺服机构机械部分的设计计算 此机床进给 伺服系统运动及动力计算如下： 2.2.1 进择脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向 :0.01mm/步，横向 :0.005mm/步 (半径 )。 2.2.1 计算切削力 （ 1）纵车外圆 主切削力 Fz(N)按经验公式估算 : Fz=0.67Dmax1.5 =0.67 x 4001.5 =5360 按切削力各分力比例 :
27、Fz:Fx:Fy=l:0.25:0.4 Fx = 5360 x 0.25 = 1340 Fy = 5360 x 0.4 = 2144 （ 2）横切端面 主切削力 Fz(N)可取纵切的 1/2: 268021 zz FF 此时走刀抗力为 Fy(N)，吃刀抗力为 Fx(N)。仍按上述比例粗略计算 : Fz:Fy:Fx=1:0.25:0.4 Fy=2680 x 0.25 = 670 Fx=2680 x 0.4 = 1072 2.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠螺母副的 设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径
28、d0（丝杠外径 d）、导程 L0、滚珠的工作圈数 j、列数 K、精度等级等。 滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。我们在此选用螺旋槽式外循环：在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，同螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。在通孔口设有挡珠器，引导滚珠进入通孔。挡珠器用圆钢弯成弧形杆，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的优点是： 工艺简单，螺母外径尺寸较小。缺点是：螺旋槽同通孔不易连接准确，挡珠器钢性差、耐磨性差。 滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。 2.3.1 纵向进给丝杠 （ 1）计算进给率引力 Fm(N) 纵向进给为综合型导轨： 2 5 3 0)8 0 05 3 6 0(16.01 3 4 015.1)( GFfKFF zxm
