CA6140车床主传动变速箱的数控改造设计.docx

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CA6140车床主传动变速箱的数控改造设计.docx

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CA6140车床主传动变速箱的数控改造设计

前言

本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造,以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短,传动件数减少,从而提高机床的精度。

设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。

随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。

随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。

数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。

同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。

机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床－数控机床的诞生和发展。

计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。

随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。

数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。

数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。

数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：

1.适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。

2.加工精度高；

3.生产效率高；

4.减轻劳动强度，改善劳动条件；

5.良好的经济效益；

6.有利于生产管理的现代化。

数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。

我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。

但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。

我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。

但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。

CA6140型车床主轴箱的数控化改造设计

摘要:

了解数控机床的概念，所谓数字控制是按照含有机床（刀具）运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。

而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。

它的优点很多,可以在同一机我国现床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。

由于在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需要很多资金。

纵向进给机构的改造：

拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座,配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾,不占据丝杠空间。

横向进给机构的改造：

拆除横向丝杠换上滚珠丝杠,由步进电机带动。

总体设计方案:

CA6140车床主轴转速部分保留原机床的手动变速功能。

车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动。

最后,根据已知条件对纵向横向伺服进给机构进行设计与计算。

关键词:

数控、车床、改造

Abstract:

NumericalControl（NC）isanymachiningprocessinwhichtheoperationsareexecutedautomaticalluinsequencesasspecifiedbytheprogramthatcontainstheinformationforthetoolmovement.WhenNumericalControlisperformedundercomputersupervision,itiscalledComputerNumericalControl（CNC）.CNCmachineshavemanyadvantagesoverconventionalmachines.Forexample,thereisapossibilitylfperformingoperationsonthesamemachineinonesetupandproductionissignificantlyincreased.Oneofitsdisadvantagesisthattheyarequiteexpensive.Inourcountryconventionalmachineisusedwidely.Soifthemachinesarereplaced,thereisgoingtoneedalargemoney.Thereformationoftheverticalmechanism:

wedemolishthecurrentsmoothleading,leadingscrewandinstallingstand.Thenreplacetheballleakingtotherelevantposition.Thereformationofthehorizontalmechanism:

wemakethehorizontalballleadscrewinsteadoftheconventionalscrew.AndSteppermotordrivesthescrew.Theoverallmasterdesign:

thespindle’sgearshiftoftheCA6140mechanismcontrolledbytheformeroperatinglever.Themovingoftheverticaltableandthehorizontaltableisdrovebytheballscrew,whichisdrovebytheSteppermotors.Thelast,wedesigntheverticalandhorizontalmechanismonthebasisofknownnumbers.

Keyword:

NumericalControl、machining、 information

前言………………………………………………………

（2）

摘要………………………………………………………（3）

设计任务及要求…………………………………………………（4）

一车床主传动变速箱结构分析……………………………（5）

二数控车床头箱结构分析……………………………………（6）

2.1主传动系统

2.2进给传动系统

2.3自动回转刀架

2.4机床尾座

三伺服系统及步进电动机的设计和计算………………………（7）

3.1伺服系统结构改造设计方案

3.2进给伺服机构机械部分的设计计算

四同步带传动设计………………………………………（14）

4.1同步齿形带的选择和校核

4.2主轴组件的设计

五数控系统驱动的电路设计……………………………（19）

5.1硬件电路的基本组成

5.2控制系统的功能

六润滑系统的改造………………………………………（22）

体会…………………………………………………………（23）

参考文献……………………………………………（23）

CA6140普通车床主轴箱数控化改造设计的任务及设计要求

（一）设计任务

1.主要内容

对CA6140车床主传动变速箱进行数控改造。

研究内容包括CA6140车床主传动变速箱结构分析、数控车床头箱结构分析、步进电机选择、主轴结构设计、齿形带传动设计、驱动方案和驱动电路设计等。

2.技术指标

（1）主轴调速范围：

0～2000r/min；

（2）步进电机开环控制。

（二）设计要求

1.毕业设计（论文）一份：

有200字左右的中英文摘要，正文后有5篇左右的参考文献，正文中要引用3篇以上文献，并注明文献出处。

论文字数在8000字以上；

2.主轴零部件图、驱动方案框图、驱动电路图等相关图纸

（三）总体方案的确定

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、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.计算机系统

根据机床要求，采用8位微机。

由于MCS—51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS—51系列的8031单片机扩展系统。

控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。

系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。

3.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。

一、CA6140车床主传动变速箱结构分析

主轴箱的结构分析

机床主轴箱是一个比较复杂的传动件.表达主轴箱各传动件的结构和装配关系时常用展开图.展开图基本上是按各传动链传递运动的先后顺序,沿轴心线剖开,并展开在一个平面上的装配图（如图1）：

图1

1——花键套；2——带轮；3——法兰；4——箱体；5——钢球；6——齿轮；7——销；8、9——螺母；

10——齿轮；11——滑套；12——元宝销；13——制动盘；14——制动带；15——齿条；16——拉杆；

17——拨叉；18——齿扇；19——圆键

1.CA6140型车床主轴箱展开图如上图所示。

该图是沿轴IV一I一II一III（V）一VI一XI一X的轴线剖切面展开的。

展开图把立体展开在一个平面上，因而其中有些轴之间的距离拉开了。

如轴IV画得III与轴V较远，因而使原来相互啮合的齿轮副分开了。

读展开图时，首先应弄清楚传动关系。

1卸荷带轮电动机经皮带将运动传至轴I左端的带轮2（见图1的左上部分）。

带轮2与花键套1用螺钉连接成一体，支承在法兰3内的两个深沟球轴承上。

法兰3固定在主轴箱体4上，这样带轮2可通过花键1带动轴I旋转，皮带的拉力则经轴承和法兰3传至箱体4。

轴I的花键部分只传递转距，从而可避免因皮带拉力而使轴I产生弯曲变形。

这种带轮是卸荷的（既把径向载荷卸给箱体）。

二、数控车床头箱结构分析

数控车床的典型结构。

1．主传动系统

数控车床主运动要求速度在一定范围内可调，有足够的驱动功率，主轴回转轴心线的位置准确稳定，并有足够的刚性与抗振性。

如下图所示为济南第一机床厂生产的MJ-50型数控车床的传动系统图。

2．进给传动系统

数控车床进给传动系统是用数字控制X、Z坐标轴的直接对象，工件最后的尺寸精度和轮廓精度都直接受进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。

为此，数控车床的进给传动系统应充分注意减少摩擦力，提高传动精度和刚度，消除传动间隙以及减少运动件的惯量等。

为使全功能型数控车床进给传动系统要求高精度、快速响应、低速大转矩，一般采用交、直流伺服进给驱动装置，通过滚珠丝杠螺母副带动刀架移动。

刀架的快速移动和进给移动为同一条传动路线。

如图3-3所示，MJ-50数控车床的进给传动系统分为X轴进给传动和Z轴进给传动。

3．自动回转刀架

数控车床的刀架是机床的重要组成部分，其结构直接影响机床的切削性能和工作效率。

回转式刀架上回转头各刀座用于安装或支持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转﹑分度和定位，实现机床的自动换刀。

回转刀架分度准确，定位可靠，重复定位精度高，转位速度快，夹紧性好，可以保证数控车床的高精度和高效率。

按照回转刀架的回转轴相对于机床主轴的位置，可分为立式和卧式回转刀架。

（1）立式回转刀架

（2）卧式回转刀架

4．机床尾座

如右图所示为MJ-50数控车床出厂时配置的标准尾座结构简图。

从它上面我们可以看出，对CA6140车床的改造的方向。

三.机床进给伺服系统机械部分以及步进电动机的设计和计算

（一）进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案

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。

纵向齿轮箱和溜板箱均加外罩，以保持机床原外观，起到美化机床的效果，在溜板箱上安装了纵向快速进给和急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到意外情况时的急停处理需要。

2.横向进给机械结构改造方案

拆除原中拖板丝杆，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。

（二）进给伺服机构机械部分的设计计算

1.选择脉冲当量

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.计算切削力

2.1纵车外圆

主切削力FZ（N）按经验公式估算：

FZ=0。

67Dmax1。

5=0。

67*4001。

5=5360

按切削力各分力比例：

FZ/FX/FY=1/0.25/0.4

FX=5360×0.25=1340

FY=5360×0.4=2144

2.2横切端面

主切削力FˊZ（N）可取纵切的0.5

FˊZ=0.5FZ=2680

此时走刀抗力为FˊY（N），吃刀抗力为Fˊx（N）。

仍按上述比例粗略计算：

FZ/FX/FY=1/0.25/0.4

FˊY=2680×0.25=670

FˊX=2680×0.4=1072

3.滚珠丝杆螺母副的计算和选型

3.1纵向进给丝杆

3.1.1计算进给牵引力Fm（N）

纵向进给为综合型导轨

Fm=KFx+fˊ（Fz+G）

=1.158×1340+0.16×（5360+800）

=2530

式中K—考虑颠复力距影响的实验系数，综合导轨取K=1.15；

fˊ—滑动导轨摩擦系数：

0.15—0.18；

G—溜板及刀架重力：

G=800N

3.1.2计算最大动负荷C

C=3√LfWFM

L=60×n×t/106

N=1000×Vs/Lo

式中Lo—滚珠丝杆导程，初选L=6mm；

Vs—最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/2—1/3），此处Vs=0.6m/min

T—使用寿命，按15000h；

fw—运转系数，按一般运转取F=1.2—1.5；

L—寿命、以106为一单位。

n=1000Vs/Lo=1000×0.6×0.5/6=50r/min

L=60×N×T/106=60×60×15000/106=45

C=3√LfwFm=3√45×1.2×2530=10798.7N

3.1.3滚珠丝杆螺母副的选型

查阅表，可用W1L400b外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杆副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级按表4-15选为3级（大致相当老标准E级）。

3.1.4传动效率计算

η=tgγ/tg（γ+φ）

试中γ—螺旋升角，W1L400bγ=2º44ˊ

φ—摩擦角10ˊ滚动摩擦系数0.003--0.004

η=tgγ/tg（γ+φ）

=tg2º44ˊ/tg（2º44+10ˊ）=0.94

3.1.5刚度验算

最大牵引力为2530N。

支撑间距L=1500mm螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。

A.丝杠的拉伸或压缩变形量δ1

根据Pm=2530N，D0=40mm，查出ΔL/L=1.2×10-5

可算出：

δ1=δL/L×1500=1.2×10-5×1500=1.8×10-2

由于两端采用向心推力球轴承，且丝杆又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。

其实际变形量δ1（mm）为：

δˊ1=0.25×10-2

B．滚珠与螺纹滚道间接触变形δq

W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量δq：

δq=6.4µm

因进行了预紧，δ2=0.5δq=0.5×6.4=3.2µm

C．支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形δ3

采用8107型推力球轴承，d1=35mm，滚动体直径dq=6.34mm，滚动体

数量Z=18，δc=0.0024×3√Fm2/（dq×Z2）

=0.0024×3√2532/（6.35×182）

注意，此公式中Fm单位为kgf

应施加预紧力，故

δ3=0.5δ=0.5×0.0075=0.0038mm

根据以上计算：

δ=δ1+δ2+δ3

=0.0045+0.0032+0.0038

=0.0115mm＜定位精度

3.1.6稳定性校核。

滚珠丝杆两端推力轴承，不会产生产生失稳现象不需作稳定性校核。

3.2横向进给丝杆

3.2.1计算进给牵引力Fˊm

横向导轨为燕尾形，计算如下：

Fˊm=1.4×Fˊy+fˊ（Fz+2Fˊx+Gˊ）

=1.4×670+0.2×（2680+2×1072+600）≈2023N

3.2.2计算最大动负荷C

n=1000×V3/L0=1000×0.3×0.5/5=30

L=60×n×T/106=60×30×15000/106

C=3√LfwFˊm=3√27×1.2×2030=7283N

3.2.3选择滚珠丝杠螺母副

从附录A表3中查出，W1L20051列2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额

定动载荷为8800N，可满足要求，选定精度为3级。

3.2.4传动效率计算

η=tgγ/tg（γ+φ）=tg4º33ˊ/tg（4º33ˊ+10ˊ）=0.965

3.2.5刚度验算

横向进给丝杠支承方式如图所示，最大牵引力为2425N，支承间距L=450mm，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。

计算如下：

A.丝杠的拉伸或压缩变形量δ1（mm）

查图4-6，根据Fˊm=2032N，D0=20MM，查出δL/L=5×10ˉ5可算出

δ1=δL/L×L=4.2×10‐5×450=1.89×10‐2mm

显然系统应进行预拉伸，以提高刚度

故δˊ=0.25δ1=4.7×10—3

B.滚珠与螺纹滚道间接触变形

查资料（《机床数控改造设计与实例[M]．1版》，）。

δq=8.5μm

因进行了预紧δ2=0.5δq=0.5×8.5=4.25μm

C.支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形

采用8103型推力球轴承，dq=5

Z=13

d=17mm

δc=0.00243√Fm2/（dq×Z2）

=0.00243√202.3/5×132=1.3×10ˉ3

考虑到进行了预紧，故

δ3=0.5δc=0.5×1.3×10ˉ3=6.5×10–4

综合以上几次变形量之和得：

δ=δˊ1δ2δ3=4.7×10¯3+4.25×10¯3/+

=0.0096＜0.015（定位精度）

3.2.6稳定性校核

滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。

传动比计算

4.传动比计算

4.1纵向进给齿轮箱传动比计算

已确定纵向进给脉冲当量δp=0.01，滚珠丝杠导程L0=6mm，初选步进电机步距角0.75。

可计算出传动比i

i=360δp/θbL0=390×0.01/0.75×6=0.8

可选定齿轮齿数为：

I=Z1/Z2

Z1=32，Z2=40，或Z1=20，Z2=25

4.2横向进给齿轮箱传动比计算

已确定横向进给脉冲当量δp=0.005，滚珠丝杠导程L0=5mm，初选步进电机步距角0.75º。

可计算出传动比i

I=360δp/θbL0=360×0.005/0.75×5=0.48

考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可采用两级齿轮降速：

i=Z1Z2/Z3Z4=3×4/5×5=24×20/40×25

Z1=24，Z2=40，Z3=20，Z4=25

因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。

有关参数参照下表：

齿数

分度圆

d=mz

齿顶数

da=d+2m

齿根数

df=d-21.25m

齿宽

（6--8）m

中心距

A=（d1+d2）/2

5.步进电机的计算和选型

5.1纵向进给步进电机计算

5.1.1等效传动惯量计算

方法计算如下，传动系统折算到电机轴上的总传动惯量JΣ（kg•cm2）可有下式计算：

JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2〔（J2+Js）+G/g（L0/2π）2〕

式中：

Jm—步进电机转子转动惯量（kg•cm2）

J1，J2—齿轮Z1、Z2的转动惯量（kg•cm2）

Js—滚珠丝杠传动惯量（kg•cm2）

参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量Jm=10（kg•cm2）

J1=0.78×103×d14·L1=0.78×103×6.42×2=2.6kg•cm2

J2=0.78×103×d24·L2=0.78×103×82×2=6.39kg•cm2

Js=0.78×103×44×150=29.952k

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