C616型普通车床改造为经济型数控车床.docx
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C616型普通车床改造为经济型数控车床
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
C616型普通车床
改造为经济型数控车床
系别：
机械工程系
专业：
机电一体化
班级：
02机电
（1）
姓名：
宋文娟
学号：
110203110
指导老师：
邹寿南
完成时间：
05年6月
目录
序言--------------------------------------------------------------------------------------3
一、设计方案的确定-----------------------------------------------------------------4
（一）设计任务------------------------------------------------------------------------4
（二）总体设计方案的确定---------------------------------------------------------4
二、机械部分改造与设计------------------------------------------------------------4
（一）纵向进给系统的设计与计算------------------------------------------------4
（二）横向进给系统的设计与计算------------------------------------------------10
三、步进电机的选择------------------------------------------------------------------13
（一）步进电机选用的基本原则---------------------------------------------------13
（二）步进电机的选择---------------------------------------------------------------14
四、机床导轨改造---------------------------------------------------------------------15
五、自动转位刀架的选用------------------------------------------------------------16
六、经济型数控机床改造时数控系统的选用------------------------------------17
七、典型零件的工艺设计及应用程序的编制------------------------------------18
（一）工艺分析------------------------------------------------------------------------18
（二）工作坐标系的设定------------------------------------------------------------19
（三）手动钻孔------------------------------------------------------------------------19
（四）编制加工程序------------------------------------------------------------------19
小结---------------------------------------------------------------------------------------21
参考文献---------------------------------------------------------------------------------22
序言
毕业设计课题：
C616型普通车床改造为经济型数控车床
课题简介：
本课题是围绕将普通机床改造成经济型数控机床展开设计的，经济型数控机床是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。
中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行改造，实现数控化、自动化。
经济型数控机床系统就是结合现实的的生产实际，结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。
价格便宜、性能价格比适中是其最主要的特点，特别适合在设备中占有较大比重的普通车床改造，适合在生产第一线大面积推广。
企业应用经济型数控型系统对设备进行改造后，将提高产品加工精度和批量生产的能力，同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竞争能力。
利用微机改造现有的普遍车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给加工车床，即经济型数控车床。
进行数控机床的改造是非常有必要的。
数控机床可以很好地解决形状复杂、精密、小批量及多变零件的加工问题。
能够稳定加工质量和提高生产效率，但是数控机床的运用也受到其他条件的限制。
如：
数控机床价格昂贵，一次性投资巨大等，因此，普通车床的数控改造，大有可为。
它适合我国的经济水平、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。
现我选用C616普通车床为例进行数控改造。
一、设计方案的确定
C616型车床是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通车床。
实践证明，把这种车床改造为数控车床，已经收到了良好的经济效果。
（一）设计任务
本设计任务是对C616普通车床进行数控改造。
利用微机对纵横进给系统进行开环控制。
纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。
（二）总体设计方案的确定
由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能减少，以降低成本.根据C616车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为:
采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲。
经一级齿轮减速后,带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。
二、机械部分改造设计与计算
1．纵向进给系统的设计
经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。
步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。
对车床改造来说，外观不必象产品设计要求那么高，而从改造方便、实用方面来考虑，一般把步进电机放在纵向丝杠的右端。
2．纵向进给系统的设计计算已知条件：
工作台重量：
W=80kgf=80N（根据图纸粗略计算）
时间常数：
T=25ms
滚珠丝杠基本导程：
L0=6mm
行程：
S=640mm
脉冲当量：
δp=0.01mm/step
步距角：
α=0.75°/step
快速进给速度：
Vmax=2mm/min
（1）切削计算由〈〈机床设计手册〉〉可知，切削功率
Nc=NηK
式中N——电机功率，查机床说明书，N=4KW；
η——主传动系统总效率，一般为0.6～0.7取η=0.65；
K——进给系统功率系数，取为K=0.96。
则：
Nc=4×0.65×0.96=2.496KW
又因为
NC=
FZ=
所以
式中v——切削线速度，取v=100m/min。
主切削力
FZ=152.76（kgf）=1527.6（N）
由〈〈金属切削原理〉〉可知，主切削力
FZ=CFzapxFzfYFzKFz
查表得：
CFz=188kgf/mm21880Mpa
XFz=1YFz=0.75KFz=1
则可计算FZ如表
（1）所示：
表
（1）FZ计算结果
ap（mm）
2
2
2
8
8
8
f（mm）
0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.4
FZ（N）
1125
1524
1891
1687
2287
2837
当FZ=1520N时，切削深度ap=2mm,走刀量f=0.3mm，以此参数做为下面计算的依据。
从〈〈机床设计手册〉〉中可知，在一般外圆车削时：
FX=（0.1～0.6）FZFZ=（0.15～0.7）FZ
取：
FX=0.5FZ=0.5×1527.6=763.8N
FY=0.6FZ=0.6×1527.6=916.5N
（2）滚珠丝杠设计计算
综合导轨车床丝杠的轴向力：
P=KFX+f′（FZ+W）
式中K=1.15，f′=0.15～0.18，取为0.16。
则
P=1.15×763.8+0.16×（1527.6+800）=1250.8N
1）强度计算：
寿命值L1=
n1=
=
取工件直径D=80mm,查表得TI=15000h
则：
n1=
=20r/min
L1=
=18
最大动负载Q=
查表得：
运转系数fw=1.2硬度系数fH=1
则
Q=
×1.2×1×1250.8=39933.6N
根据最大动负载Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。
例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系列，滚珠丝杠直径为φ32mm,型号为FC1B32×6—5—E2，其额定动载荷是10689N，所以强度足够用。
2）效率计算：
根据〈〈机械原理〉〉的公式，丝杠螺母副的传动效率η为：
η=
式中摩擦角ψ=10′ 螺旋升角γ=3°25′
则
η=
3）刚度验算：
滚珠丝杠受到工作负载P引起的导程的变化量
△L1=±
式中L0=6mm=0.6cm；
E=20.6×166N/cm2。
滚珠丝杠截面积F=（
）2π=（
）2×3.14
则此处省略 NN
NNNNN
NNN
NN
字
=1.258㎏·㎝2
3）所需转动力矩计算
nmax=
Mamax=
N·m=2.23㎏f·㎝
nt=
=33.17r/min
Mat=
=0.0174N·m=0.1775f·㎝
Mf=
=
=
0.287㎏f·㎝=0.028N·m
M0=
0.116㎏f·㎝=0.011N·m
Mt=
1.824㎏f·㎝=0.182N·m
所以，快速空载启动时所需转矩：
M=Mamax＋Mf＋M0
=2.23＋0.287＋0.116=2.633㎏f·㎝=26.33N·㎝
切削时所需力矩：
M=Mat＋Mf＋M0＋Mt
=0.1774＋0.287＋0.116＋1.824
=2.404㎏f·㎝=24.04N·㎝
快速进给时所需力矩：
M=Mf＋M0=0.287＋0.116
=0.403㎏f·㎝=4.03N·㎝
从以上计算可知：
最大转矩发生在快速启动时，Mmax=2.633㎏f·㎝=26.33N·㎝
三、步进电机的选择
（一）步进电机的选择的基本原则
合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。
现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：
1．步距角α 步距角应满足：
α≤
式中i——传动比
αmin——系统对步进电机所驱动部件的最小转角。
2．精度
步进电机的精度可用步矩误差或积累误差衡量。
积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值。
用积累误差衡量精度比较实用。
所以选用不进电机应满足
△Q≤i[△θs]
式中△Q——步进电机的积累误差；
[△θs]——系统对步进电机驱动部件允许的角度误差。
3．转矩
为了使步进电机正常运行（不失步、不越步），正常启动并满足对转速的要求，必须考虑：
1）启动力矩一般启动力矩选取为：
Mq≥
式中Mq——电动机启动力矩；
ML0——电动机静负载力矩。
根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表
（2）所示。
Mjm为步进电机的最大静转矩，是步进电机技术数据中给出的。
表
（2）步进电机相数、拍数、启动力矩表
运行
方式
相数
3
3
4
4
5
5
6
6
拍数
3
6
4
8
5
10
6
12
Mg/Mjm
0.5
0.866
0.707
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
2）在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。
3．启动频率
由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：
ft≥[fcp]m
式中ft——极限启动频率；
[fcp]m——要求步进电机最高启动频率。
（二）步进电机的选择
1．C616纵向进给系统步进电机的确定
Mq=
685.125N·㎝
为满足最小步矩要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：
Mq/Mjm=0.866所以步进电机最大静转矩Mjm为：
Mjm=
791.14N·㎝
步进电机最高工作频率
fmax=
Hz
综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。
4．C616横向进给系统步进电机的确定
Mq=
N·㎝
电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知：
Mq/Mjm=0.866
所以，步进电机最大静转矩Mjm为：
Mjm=
N·㎝
步进电机最高工作频率
fmax=
=3333.3Hz
为了便于设计和采购，仍选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。
四、机床导轨改造
卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床导轨面运动的。
导轨就是支承和导向，即支承运动部件并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定的方向运动。
导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工精度、承载能力和使用性能。
数控机床上，常使用滑动导轨和滚动导轨。
滚动导轨摩擦系数小，动静摩擦系数接近，因而运动灵活轻便，低速运行时不易产生爬行现象。
精度高，但价格贵。
经济型数控一般不使用滚动导轨，尤其是数控改造，若使用滚动导轨，将太大增加机床床身的改造工作量和改造成本。
因此，数控改造一般仍使用滑动导轨。
滑动导轨具有结构简单，刚性好，抗振性强等优点。
普通机床的导轨一般是铸铁—铸铁或铸铁—淬火钢导轨。
这种导轨的缺点是静摩擦系数大，且动摩擦系数随速度的变化而变化，低速时易产生爬行现象，影响行动平稳性和定位精度，为克服滑动导轨的上述缺点，数控改造一般是将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。
贴塑导轨摩擦系数小，且动静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、抗咬伤能力强、加工性和化学性能稳定，且有良好的自润滑性和抗振性，加工简单，成本低。
目前应用较多的聚四氟乙稀（PTEE）贴塑软带，如美国生产的Twrcite—B和我国生产的TSF软带材料，次、此种软带厚度为0.8㎜、1.6㎜、3.2㎜等几种规格。
考虑承载变形，宜厚度小的规格，如果考虑到加工余量，选用厚度为1.6㎜为宜。
贴塑软带粘贴工艺非常简单，可直接粘结在原有的滑动导轨面上，不受导轨形式的限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘结。
粘结前按导轨精度要求对金属导轨面进行加工修理。
根据导轨尺寸长度放大3～4㎜，切下贴塑软带。
金属粘结面与软带结面应清洗干净，用特殊配制的粘合剂粘结，加压固化，待其完全固化后进行修整加工。
作为导轨面的表面，根据需要可进行磨、铣、刮研、开油槽、钻孔等加工，以满足装配要求。
五、自动转位刀架的选用
自动转位刀架的选用是普通机床数控改造机械方面的关键，而由数控系统控制的自动转位刀架，具有重复定位精度高，工件刚性好，性能可靠，使用寿命长以及工艺性能袄等优点。
经济型数控车床的自动刀架，在生产中最常用的是常州武进机床数控设备厂生产的系列刀架，具有重复定位精度高，工作刚性好，使用寿命长，工艺性能好等优点达到国内先进水平，在生产中大量使用。
现选用常州武进机床数控设备厂生产的LD4—工型系列四工位自动刀架。
C616适配刀架。
刀架技术参数：
刀位数：
4
电动功率：
60W
电机转速：
1400r/min
夹紧力：
1t
上刀体尺寸：
152×152
下刀体尺寸：
161×171
技术指标：
重复定位精度：
≤0.005㎜
工作可靠性：
＞30000次
换刀时间：
90°180°270°
2.9s3.4s3.9s
六、经济型数控机床改造时数控系统选用
数控系统是一台数控机床的核心。
对系统的选择在机床数控改造中是至关重要的
现从系统的经济性和实用性选择为开环伺服系统为JWK—15T。
现将该经济性数控系统性能参数列表如下：
1
生产厂家
南京微分电机厂江南机床数控工程公司
2
用户容量
24K
3
设定单位
X=0.005Z=0.01
4
控制轴数
X、Z两轴
5
联动轴数
二轴
6
编程尺寸
±9999.99
7
快速（X/Z）向
316/㎜
8
G功能
G00～G04G22～G29G32、G33、G36、G37、G9、G80、G92
9
M功能
M00～M09M20～M29M92～M99
10
S功能
S01～S04S05～S10
11
T功能
T1X～T8X
12
步进电机
～220V±10%50HZ
13
控制精度
1步
14
功耗W
360
15
环境温度
0～40°C
16
相对温度
80%（25°C）
17
外形尺寸（㎜）
340×400×220
18
系统重量
17kg
七、典型零件的工艺设计及应用程序编制
所需加工零件的材料为45号钢，加工零件如下图所示：
（一）工艺分析
1、该零件分七个工步来完成加工，即先用φ16的麻花钻来钻孔；再粗车外圆；第三步粗镗孔；第四步精镗内孔；第五步精车外圆；第六步车M30的细牙螺纹（螺距F=0.75）；最后切断。
2、较为突出的问题是如何保证φ38、φ18和长度50的尺寸公差，长度方向的中间凹槽，粗车、粗车刀的副偏角大于45°，棒料伸出三爪卡盘65mm装夹工件。
3、选择01号车刀（副偏角大于45°），02号螺距纹刀、03号内孔镗刀，04号割槽刀共四把刀。
4、G73进行外圆粗加工时，单边粗车吃刀量1.75，U=1.75，R是切削次数4次，精车余量0.5mm；
G71进行内孔粗加工时，单边粗车吃刀量1mm,U=1,R退刀量的值0.5mm,精车余量0.5mm。
（二）工件坐标系的设定
选取工件的右端面的中心点O为工件坐标系的原点。
（三）手动钻孔
夹好工件，用φ16的麻花钻手动钻孔，孔深55mm。
（四）编制加工程序
N001G94G54T1
M03S700M08
N002G00Z0X32
N003G01X-1F30
N004G00Z1X30.6
N005G01Z-44F80
N006G00X31Z1
N007G00X27
N008GO1Z-22.4F80
N009G00X28Z1
N010G00X25
N011G01Z-22.4F80
N012G00X26Z1
N013G00X23.9
N014G01Z-20
N015G00Z1X25
N016G00X80Z120M09M05
N017T2M06M08M03
N018G00Z0X24
N019G01X2.5F30
N020G01X23.9CHF=2
N021G01Z-8F80
N022G01X22Z-9.6
N023G01Z-19.8
N024G01X24.6
N025G01X27
N026G01X30.5Z-38.4
N027G01Z-44
N028G00X31Z-8
N029G00X24
N030G01X23.9
N031G01X20.8Z-9.6
N032G01Z-19.8
N033G02X24.6Z-22.4CR=5.6F50
N034GO1X30.4Z-38.4
N035G01Z-44
N036G00X80Z100M09M05
N037T3M06M08M03
N038G00Z3X23.3
N039G33Z-11K=0.75
N040G00X25
N041G00Z3
N042G00X23.1
N043G33Z-11K=0.75
N044G00X25
N045G00Z3
N046G00X23
N047G33Z-11K=0.75
N048G00X25
N049G00X80Z120M09M05
N050T4M06M08M03
N051G00Z3X0
N052G01Z-44F15
N053G01Z3F50
N054G00X80Z120M09M05
N055T5M06M08M03
N056G00X14.2Z1
N057G01Z-41F50
N058GOOX14Z1
N059GOOX14.4
N060G01Z-41
N061G00X14Z1
N062G00X16Z0
N063G01X14.4Z-8
N064G00Z0
N065G00X17.6
N066G01X14.4Z-8
N067G00Z1
N068G00X80Z120M09M05
N069T6M06M08M03
N070G00X32Z-40
N071G01X12F30
N072G00X80Z120
N073M05M09M02
小结
三年的大学学习，让我们对机械设计与制造方面的知识有了一个系统而又全新的的认识。
毕业设计是我们学习中最后一个重要的实践性环节，是一个综合性较强的设计任务，它为我们以后从事技术工作打下了一个良好的基础，对我们掌握所学知识情况进行了全面而又直观的检测。
为了能够较好的完成这次毕业设计，我投入了
万分的精力做了充分的准备工作。
首先，我先针对毕业课题来考虑，在指导老师的指点和帮助下，对所需的资料进行搜集和整理，根据设计的要求，再对资料做一个简单的归类。
其次，依据指导老师给出的设计任务要求，先制定设计的总体方案，按照指导老师要求的设计进度，一步步的完成此次的设计任务。
前几周的数控拆装综合实验，为我此次的毕业设计做了很好的铺垫，让我做起来没有太多陌生的感觉，更加得心应手些。
毕业设计虽已结束，但想想我在其中所学到的知识，所遇到的困难，仍记忆犹新。
它让我明白了无论是设计新产品，还是改造原先的老产品，都是一个复杂的技术过程，容不得半点含糊。
设计人员应先明白设计的目的，了解产品的价值和实用性，其次要对设计的产品进行构思，确定总体方案，查阅资料，最后编写产品的设计说明书，进行绘图。
这次的毕业设计培养了我独立设计思考和分析解决问题的能力，拓宽了我的知识面，是一次很好的锻炼机会！
感谢指导老师焦主任和课外指导老师邹工对我此次毕业设计的指导!
参考文献
张新义《经济型数控机床设计》机械工业出版社
余英良《机床数控改造设计与实例》机械工业出版社
何铭新《机械制图》高等教育出版社
徐灏《机械设计手册》第2版第4卷机械工艺出版社
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