1、本科毕业论文（20 届）C6140 车床的数控化改造设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I摘要本设计将普通的 C6140 车床改造成经济型的数控车床，用滚珠丝杠代替了原来的纵向和横向丝杠，并采用伺服电动机开环伺服驱动系统控制。用伺服电动机控制主轴传动，带动车刀转动。这里主要是对车床的一部分加以改造，对一些参数进行了设计，计算及对图形的绘制，并对其进行了可行性分析，最后对整个设计进行系统分析，得出整个设计切实可行。将普通车床改制成数控车床，不管从人力方面，还是从时间方面，都有了很大的节省，这样不仅降低了成本，而且提高了生产
2、效率。关键词: 数控车床；滚珠丝杆；伺服电动机本科生毕业论文IIABSTRACTThe design will transform the ordinary C6140 lathe into the economic model CNC lathe, with a ball screw instead of the original vertical and horizontal screw, and using open-loop servo motor control servo drive system. Spindle drive with servo motor control, d
3、rive Tool rotation. Here is the main part of the lathe to be modified, a number of parameters on the design, calculation and graphics rendering, and its feasibility analysis, the final design of the whole system analysis and draw the design is feasible. The ordinary lathe transformed into the CNC la
4、the, regardless of human respect, or from the time, there has been a great save, this not only reduces costs, but also improves production efficiencyKeywords: CNC lathe; ball screw; servo motor本科生毕业论文III目录1.前言 .11.1 课题背景 .11.2 机床改造的内容及意义 .11.2.1 研究意义 .11.2.2 主要研究内容 .21.2.3 机床的经济型数控化改造主要解决的问题 .31.2.3
5、 总体设计方案的确立 .32.纵向进给系统的设计与计算 .42.1 设计内容 .42.2 纵向进给系统的设计概述 .42.3 纵向进给系统的设计计算 .42.3.1 滚珠丝杠的设计内容 .42.3.2 切削力的计算 .62.3.3 滚珠丝杆的设计计算 .62.3.4 伺服电机的选择 .82.3.5 联轴器的选择 .102.3.6 轴承的选择 .113.横向进给系统的设计与计算 .133.1 设计内容 .133.2 横向进给系统的设计 .13本科生毕业论文IV3.3 横向进给系统的设计计算 .133.3.1 滚珠丝杆的设计计算 .133.3.2 伺服电机的选择 .143.3.3 联轴器的选择 .
6、163.3.4 轴承的选择 .174.自动刀架系统设计 .194.1 总体结构设计 .194.1.1 减速传动机构的设计 .194.1.2 上刀体锁紧与定位机构的设计 .204.1.3 刀架抬起机构的设计 .204.1.4 自动回转刀架的工作原理 .225 小结 .23致谢 .24参考文献 .25附表 .26本科生毕业论文11.前言1.1 课题背景1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床
7、上，在美国诞生了第一台数控机床。我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60以上） 。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、
8、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率 1。在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 机床公司、Devl
9、ieg-Bullavd（得宝）服务集团、US 设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等 2。1.2 机床改造的内容及意义1.2.1 研究意义数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,简化了结构。较好地解决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制：（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；（2）目前，各
10、企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费；（3）在国内，订购新本科生毕业论文2数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（
11、4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需 3。 普通车床（如 C616，C618，C6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先
12、输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工 4。企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要
13、换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达0.01 至 0.02mm，已能满足 C6140 车床改造后加工
14、零件的精度要求。1.2.2 主要研究内容本设计任务是对 C6140 普通车床进行数控改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。利用微机对 C6140 普通车床的纵、横向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为本科生毕业论文30.01mm/脉冲，横向脉冲当量为 0.005mm/脉冲，驱动元件采用直线滚珠丝杠副，刀架采用四工位自动转位刀架。(1)纵向和横向滚珠丝杠的选型及校核。(2)纵向和横向步进电机的选择。(3)自动刀架的设计。1.2.3 机床的经济型数控化改造主要解决的问题(1)增加微机数控装置，使车床具有一定的自动化能力。(2
15、)将滑动丝杆改造成滚珠丝杆，并消除其间隙。(3)修改部分机械装置，提高车床精度及效率。1.2.3 总体设计方案的确立1因为是经济型数控改造，在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，尽可能的减少对机床的改动，以降低成本，缩短改造周期。所以，进给伺服系统常采用步进电动机的开环控制系统。2卧式车床数控化改造后应具有单作标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。数控系统设计成连续控制型。3纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由伺服电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。4为了达到一定的精度和速度要求，纵横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺
16、母副;为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。5计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有消除间隙机构。6选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。7采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。本科生毕业论文42.纵向进给系统的设计与计算2.1 设计内容纵向进给系统的设计计算包括滚珠丝杠的设计、联轴器、轴承以及伺服电机的选取等。2.2 纵向进给系统的设计概述经济型数控车床的改造一般是步进电动机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动，伺服电机的布置，可以放在丝杠的任意一端。对车床的改造来说，外观不必象产品设计要求的那么高，而从改造方便实用考
17、虑，一般都把步进电动机放在纵向丝杠的左端。2.3 纵向进给系统的设计计算2.3.1 滚珠丝杠的设计内容1、滚珠丝杆的特点滚珠丝杠副具有与滚动轴承相似的特征。与滑动丝杠副或液压缸传动相比，有以下主要特点：（1）传动效率高 滚珠丝杠的传动效率可达 85%98%，为滑动丝杠副的 24 倍，由于滚珠丝杠副的传动效率高，对机械小型化，减少启动后的颤动和滞后时间以及节约能源等方面，都具有重要意义。（2）运动平稳 滚珠丝杠副在工作过程中摩擦阻力小，灵敏度高，而且摩擦系数几乎与运动速度无关，启动摩擦力矩与运动时的摩擦力矩的差别很小。所以滚珠丝杠副运动平稳，启动时无颤动，低速时无爬行。（3）传动可逆性 与滑动丝
18、杠副相比，滚动丝杠副突出的特点是具有运动的可逆性。正逆传动的效率几乎可高达 98%。滚珠丝杠副具有运动的可逆性，但是没有象滑动丝杠副那样运动具有自锁性。因此，在某些机构中，特别是垂直升降机构中使用滚珠丝杠副时，必须设置防止逆转的装置。（4）可以预紧 通过对螺母施加预紧力能消除滚珠丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度，但摩擦力矩却增加不大。（5）定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杠副具有传动效率高，运动平稳，可以预紧等特点，所以滚珠丝杠副在工作过程中温升较小，无爬行。并可消除轴向本科生毕业论文5间隙和对丝杠进行预紧拉伸以补偿热膨胀，能获得较高的定位精度和重复定位精度。（6）同步性好 用几套相同的滚珠
19、丝杠副同时驱动相同的部件和装置时,由于反应灵敏，无阻滞，无滑移，其启动的同时性，运行中的速度和位移等，都具有准确的一致性。（7） 使用寿命长 滚珠丝杠和螺母的材料均为合金钢，螺纹滚道经过热处理，jmaxM并淬硬至 HRC58-62,经磨削达到所需的精度和表面粗糙度。实践证明，滚珠丝杠副的使用寿命比普通滑动丝杠副高 56 倍。（8）使用可靠，润滑简单，维修方便 与液压传动相比，滚珠丝杠副在正常使用条件下故障率低，维修保养也极为方便；通常只需进行一般的润滑与防尘。在特殊使用场合，如核反应堆中的滚珠丝杠副，可在无润滑状态下正常工作 5。2、滚珠丝杠副的设计步骤和方法在一般情况下，设计滚珠丝杠时，必须
20、知道下列条件：最大工作负载 作用下的使用寿命 T，丝杠的工作长度 L（或螺母的有效行程） ，丝杠的转速 n（或平均转速 nm） ，滚道的硬度 HRC 及丝杠的运转情况，然后按下列步骤进行设计。1）由式 计算出作用在滚珠丝杠上的最大动载荷 的数值。2）从滚珠丝杠设计标准中，找出相应尺寸系列对应的最大动载荷 的相近值，并初选几个型号。3）根据具体要求，对于结构尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率等方面的要求，从初选的几个型号中再挑选出比较合适的公称直径 、导程 、滚珠系列 k、滚珠圈数 j等确定某一型号。4）根据所选出的型号，列出（或算出）其主要参数的数值，计算传动效率，并验算其刚度及稳定性系数是否
21、满足要求。若不满足要求，则需另选其它型号，再做上述的计算和验算直至满足要求为止。5）对于低速运转（n10r/ min）的滚珠丝杠，无需计算其最大动载荷 值，而只考虑其最大静负载 是否充分地超过了最大工作负载 ，一般使/ = 2/3。3、强度计算滚珠丝杠在工作过程中承受轴向负载，使得滚珠和滚道型面间产生接触应力，产生交变接触应力。在这种应力的作用下，经过一定的应力循环次数后，滚珠或滚道型面产生疲劳损伤，从而使得滚珠丝杠丧失工作性能，这是滚珠丝杠副破坏的主要形式，在设计滚珠丝杠副时，必须保证它在一定的轴向负载的作用下，在回转 106 转后，滚道上虽然受到滚珠压力但不应有点蚀现象产生，此时，所能承受的轴向负载称为这种滚珠丝杠能承受的最大动载荷 。如果滚珠丝杠副是在低速情况下工作，其破坏的主要形式是滚道面接触点处的塑性变形量超出允许值。若最大接触应力超过材料的弹性极限就要产生塑性变形，塑性变形超过一定限度就要破坏滚珠丝杠副的正常工作，一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的1/10000。产生这样大的塑性变形的负载称为最大静负载 Q0。低速运转的滚珠丝杠副是以最大静负载 Q0 作为设计时的计算标准，原则是实际的最大轴向工作负载 小于额定静负载 Q0。
