毕业设计（论文）CA6140型普通车床数控化改造

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1、陕西理工学院毕业论文(设计)CA6140 型普通车床数控化改造摘 要以 C6140 型普通车床为例，从机械和电气方面详细阐述了数控化改造的方法。改造后的车床投入使用后运行稳定，加工精度明显提高，取得了极大的经济效益。 关键词 普通车床；数控化改造；SINUMERIK802S base lineNumerical Control Transformation of C6140 Common LatheAbstract ：Takes CA6140 type common lathe as an example ,has explained the NC transformation method

2、from machinery and electric two respects in detail. After transforming, the new lathe runs steadily, the machining accuracy is obviously improved, has made the great technological economic benefits.Key words： common lathe; NC transformation; SINUMERIK802S base line陕西理工学院毕业论文（设计）第 II 页 共 41 页目 录引 言 .

3、1第一章 概述 .2第二章 总体方案的设计 .42.1 设计任务 .42.2 总体方案的论证 .42.3 总体方案的确定 .42.4 数控系统的选择 .5第三章 机械部分改造 .63.1 机械传动方式 .63.2 数控机床进给伺服系统的设计计算 .63.2.1 选择脉冲当量: .63.2.2 算切削力: .63.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型横向进给丝杠: .73.3.1 计算进给牵引力 Fm (N).73.3.2 计算最大动负载 C：.73.3.3 选择滚珠丝杠螺母副： .73.3.4 传动效率计算： .73.3.5 刚度验算 .83.3.6 校核 .93.4 齿轮传动比计算： .14陕西理

4、工学院毕业论文（设计）第 III 页 共 41 页3.5 步进电机的计算和选型： .143.5.1 等效转动惯量计算： .143.5.2 电机力矩的计算机： .153.5.3 步进电机空载启动频率和切削时的工作频率： .173.6 纵向进给系统 .173.6.1 设计参数 .183.6.2 齿轮传动比计算 .183.6.3 滚珠丝杠的计算及选择 .183.6.4 校核 .203.7 机械部分改造 .233.8 主轴脉冲编码器的安装 .25第四章 数控系统选择 .264.1 西门子数控系统的优点 .264.2 数控连线图 .274.3 步进电动机的控制 .274.3.1 步进电动机的开环控制.2

5、84.3.2 步进电动机传动控制.294.3.3 步进电动机的 PLC 传动控制.314.4 PLC 数控系统需解决的问题.334.5 PLC 输入、输出（I/O）点数确定.354.6 驱动程序（梯形图）设计 .35陕西理工学院毕业论文（设计）第 IV 页 共 41 页4.6.1 总程序结构设计.364.6.2 手动程序梯形图设计.364.7电气部分改造.36结 论 .39致 谢 .40参考文献 .41陕西理工学院毕业论文（设计）第 1 页 共 41 页引引 言言制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底

6、是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。随着机械制造生产模式的演变,对机械制造装备提出了不同的要求.在 50 年代“刚性”生产模式下，通过提高效率，自动化程度,进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。从 90 年代开始，为了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高,采用拟实制造和快速成形制造技术1。工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机

7、床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重1。通过这次毕业设计，可以达到以下目的：1，培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；2，强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；3，使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机

8、、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；4，培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。陕西理工学院毕业论文（设计）第 2 页 共 41 页第一章第一章 概述概述数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批及多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。首先，数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有余而力不足；目前，各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，而且被替代下的机床闲置起来又会造成浪费；在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；要较好

9、地解决上述问题，应走普通机床数控改造之路。低成本普通车床数控化改造是一项适合我国实际情况的先进适用技术，也是一项提升我国机床数控化率的有效途径。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。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。1.1 机床数控化改造的必要性机床数控化改造的必要性从提高资本效率出发，改造闲置设备，能发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，从而提高机床的使用价值；适用于多品种、小批量零件生产；数控改造费用低，减少了投资额，经济性好。数控改造费用仅为新购一台数控机床的 152

10、5，同购置新机床相比，一般可以节省 7585的费用。力学性能稳定可靠，结构受限。所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用，应此数控化改造使原有的机械结构更为简单；熟悉了解设备、便于操作维修，降低了操作者的技术要求，更易提高管理水平；可充分利用现有的条件。可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新地基；可以采用最新的控制技术；交货期短，可满足生产急需。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

11、机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类陕西理工学院毕业论文（设计）第 3 页 共 41 页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驱。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

12、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。 1.2 普通机床数控改造的主要优点普通机床数控改造的主要优点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

13、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。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC 技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出

14、相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。 1984 年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，陕西理工学院毕业论文（设计）第 4 页 共 41 页机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。第二章第二章 总体方案的设计总体方案的设计2.1设计任务设计任务 本设计任务是对 CA6140 普通车床工作台进行数控改造熟悉普通车床 6140 的工作台基本传动机构（横向

15、和纵向） 。利用微型计算机改造现有的普通车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手动控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给的自动加工机床，即经济型数控车床。利用 PLC 对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z 向）脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向（X 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。2.2 总体方案的论证总体方案的论证对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 （1）数控系统运动方式的确定 ：数控系统按运动

16、方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求 CA6140 车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。 （2）伺服进给系统的改造设计：数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。 因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。 （3）数控系统的硬件电路设计 ：任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。2.3 总体方案的确定总体方案的确定 经总体设计方案的论证后，数控化改造设

17、计时,在满足车床总体布局的前提下要尽可能利用原来的零部件,因此确定总体改造方案如下：(1) 拆除原车床的纵向和横向丝杠及光杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮，用滚珠丝杠替换原有普通滑动丝杠，将选取的纵向滚珠丝杠副通过托架安装在原溜板箱与床鞍连接的部位上，纵横向滚珠丝杠两端尽可能利用原固定和支承方式。为便于安装滚珠陕西理工学院毕业论文（设计）第 5 页 共 41 页丝杠副，丝杠采用分体式，用套筒联轴器实刚性联接； (2) 横向驱动电机及齿轮减速器安装在床鞍的后部(相对操作者) ，纵向驱动电机及齿轮减速装置安装在机床的右端，靠近尾座的位置；(3) 要实现自动换刀，需拆除原手动刀架，在小拖板上安装数控转位刀

18、架；(4) 为了使改造后的车床能够加工螺纹，需要加装主轴脉冲编码器，以实现对主轴转速的同步检测，编码器安装在挂轮箱内；(5) 为使加工过程中不超程，纵横向要安装行程限位开关； (6) 为实现回参考点的动作，必须在纵横向安装接近开关；(7) 纵、横向齿轮箱和丝杠全部加防护罩，以防脏物、油污和切屑等进入，机床整体也要加装防护罩，以防止加工过程中的切屑飞溅伤人；(8) 考虑到改造的成本，尽可能采用可靠性高的经济型数控系统。图1为总体改造示意图图1 总体改造示意图1. 横向滚珠丝杠副2. 横向电机3. 横向减速器4. 尾座5. 纵向减速器6. 纵向电机7. 支架8. 纵向滚珠丝杠副9. 数控转位刀架1

19、0. 主轴脉冲编码器2.4 数控系统的选择数控系统的选择选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、各种性能等选择性价比合适的系统,避免系统功能过剩,同时考虑到原车床的精度和改造成本、周期和难易程度等各方面因素,决定采用步进电机作为驱动元件、开环控制的经济型数控系统。SINUMERIK 802S base line 是西门子公司专门为中国数控机床市场开发的经济型CNC 控制系统。其结构紧凑,具有高度集成于一体的数控单元、机床操作面板和输入输出单元,机床调试配置数据少,容易改造成功。最终决定采用西门子经济型数控系统SINUMERIK 802S base line。陕西理工学院毕业论文

20、（设计）第 6 页 共 41 页第三章第三章 机械部分改造机械部分改造3.13.1 机械传动方式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杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也采用消除齿侧间隙的结构。 横向进给系统改造横向滚珠丝杠也采用一端固定，一端浮动，三点支承的形式，也通过双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，如图5 所示。横向步进电机1 及减速器2 安装在床鞍的后部。靠近操作者一端，布置一根支撑短轴11，通过套筒联轴器10 与滚珠丝杠7 连接起来。右端仍利用原支承

21、横向进给丝杠的滑动轴承支座作为径向支承，并对原支承处作适当改造，布置一对推力球轴承12 ,以承受双向轴向力。左端则将原车床的悬空结构改为支承结构，用一个联轴套4 和一根连接短轴6 把滚珠丝杠7 与减速器输出轴3 连接起来，并通过一对圆螺母5 实现对整个丝杠的预拉伸和锁紧，以提高其轴向刚度。螺母通过螺母座9 直接固定在中拖板8 上。3.23.2 数控机床进给伺服系统的设计计算数控机床进给伺服系统的设计计算3.2.1 选择脉冲当量选择脉冲当量: :根据机床精度要求选择脉冲当量，纵向：0.01/mm 步，横向：0.005/mm 步。3.2.2 算切削力算切削力: :纵车外圆时主切削力Fz（N）按经验

22、公式估算：陕西理工学院毕业论文（设计）第 7 页 共 41 页Fz=0.67Dmax=0.67 400=5360N5 . 15 . 1横切端面时主切削力Fz（N）可取纵向主切削力的1/2：Fz=0.5Fz=2680N按切削力各分力比例：Fz：Fy：Fx=1：0.25：0.4 Fx=2680 0.4=1072； Fy=2680 0.25=670N；3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型横向进给丝杠滚珠丝杠螺母副的计算和选型横向进给丝杠: : 3.3.1 计算进给牵引力计算进给牵引力Fm (N)横向导轨为燕尾形，计算：Fm=1.4 Fy+F（Fz+2Fx+G）其中：F为滑动导轨摩擦系数：0.15-0.

23、18取0.16 G为溜板及刀架重力：G=600N Fm=1.4 670+0.16 （2860+2 1072+600）1806（N）3.3.2 计算最大动负载计算最大动负载C：C=f F ，其中：L=；3Lwm61060Tnn=01000LVs以上式中：L 为滚珠丝杠导程，初选：L =5mm；00Vs为最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的：1/2-1/3，取1/2；f 为运转系数，按一般运转取：f =1.2-1.5；取1.3 ；wwL为寿命，106转为41单位。n=3001000LVs55 . 03 . 01000L=2761060Tn610150003060C=f F =N3Lwm704

24、318063 . 12733.3.3 选择滚珠丝杠螺母副：选择滚珠丝杠螺母副：根据机械设计师手册（机械工业出版社出版发行）第一版 上册，CDM 2005-2.5外循环管式垫片预紧导珠管埋入型滚珠丝杠副的额定动载荷为8541N可满足要求，选定精度为3 级陕西理工学院毕业论文（设计）第 8 页 共 41 页3.3.4 传动效率计算：传动效率计算：=0.96510334334tgtgtgtg式中：螺旋升角（CDM 2005-2.5），334 摩擦角，103.3.5 刚度验算刚度验算横向进给丝杠支承方式如横向进给系统计算简图见下图所示：图2 横向进给系统计算简图最大牵引力为：2425N 支承间距L=4

25、50mm因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧，计算如下：(1) 丝杠的拉伸或压缩变形量丝杠的拉伸或压缩变形量：1查图4-6， 根据 =1806，查出：因此:mmmD20051104/L=1mmLL80. 1450104/51(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形滚珠与螺纹滚道间接触变形：2查资料：，因进行了预紧：mQ5 . 8.mQ25. 45 . 821212(3) 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形: :3采用8012 单向推力球轴承(GB301-84) ，763. 4Qd12zmmd15陕西理工学院毕业论文（设计）第 9 页 共 41 页mmZdmPcQ009

26、4. 012763. 432.2020024. 00024. 032322考虑到进行了预紧，以：mmC0047. 0213综合以上几项变形量之和：mm02695. 00047. 000245. 00180. 0321显然，此变形量已大于定位精度的要求!，应该采取相应的措施修改设计，因横向溜板空间限制，不宜再加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小最大牵引力。重新计算如下： Fm=1.4 Fy+F（Fz+2Fx+G）= 1.4 670+0.04 （2860+2 1072+600）=1155N从资料中查出，当Fm=1155时，因此，51104 . 2/L mmLL2511008. 14

27、50104 . 2/和不变，所以综合几项变形量之和：23mm01975. 00047. 000245. 00108. 0321此变形量仍不能满足要求，如果将滚珠丝杠再经过预拉伸!刚度还可以提高四倍，则，mm01165. 00047. 000245. 00180. 04141321此变形量可以满足设计要求。3.3.6 校核校核 滚珠丝杠副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压振动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杠副的拉压系统刚度 Ke由丝杠本身的拉压刚度 KS，丝杠副内滚道的接触刚度 Kc，轴承的接触刚度 KB，螺母座的刚度 KH，按不同支承组合方式的计算而定。扭转

28、刚度按丝杠的参数计算。 （1） 临界压缩负荷临界压缩负荷丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大，采用两端固定的支承方式并对丝杠进行预拉伸，可以最大限度地发挥丝杠的潜能。所以设计中采用两端固定的支承方式9。临界压缩负荷按下式计算：陕西理工学院毕业论文（设计）第 10 页 共 41 页 (3.7)211max20crfEIFKFNL式中 E材料的弹性模量 E钢=2.11011(N/m2)； L0最大受压长度(m)； K1安全系数，取 K1=1/3； Fmax最大轴向工作负荷(N)； f1丝杠支承方式系数；(支承方式为双推双推时，见下图，f1=4，f2=4.730) I丝杠最小截面惯性矩(m4)： (3

29、.8)4420(1.2)6464wIddd式中 d0丝杠公称直径(mm)； dw滚珠直径(mm)。412843.14(32 1.2 3.969)102.7 1064Im丝杠螺纹部分长度，取 180 11240332uLmm350uLmm支承跨距 ， 丝杠全长 1400Lmm500Lmm由公式(3.7)2118max264 3.142.1 102.7 101422554.32013420103NFNcr F可见远大于，临界压缩负荷满足要求。crFmaxF（2） 临界转速临界转速 (3.9)222222max22309910crccff dEInknLAL式中 A丝杠最小横截面：2642231.5

30、 107.8 1044Adm 临界转速计算长度：cL11250035018040351.50.422cLm取 ，10.4cLLm陕西理工学院毕业论文（设计）第 11 页 共 41 页安全系数，一般取 ；2k20.8k 材料的密度：；337.85 10/kg m丝杠支承方式系数，查表得，2f24.730f 2max20.03159910 4.73043650 /min1500 /min0.4crnrnr满足要求。（3） 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率丝杠系统的轴向拉压系统刚度 Ke的计算公式：两端固定： (3.10)111111(/)4eBcHSNmKKKKK式

31、中 Ke 滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/m)； KH螺母座的刚度(N/m)；Kc丝杠副内滚道的接触刚度(N/m)；KS丝杠本身的拉压刚度(N/m)；KB轴承的接触刚度(N/m)。1) 丝杠副内滚道的接触刚度可查滚珠丝杠副型号样本。2) 轴承的接触刚度可查轴承型号样本。3) 螺母座的刚度可近似估算为 1000。4) 丝杠本身的拉压刚度：对丝杠支承组合方式为两端固定的方式： (3.11)610/sAElKNmala式中 A丝杠最小横截面，；222()4AdmmE材料的弹性模量，E=2.1 1011(N/m2)；l两支承间距(m)；a螺母至轴向固定处的距离(m)。已知：轴承的接触刚度，丝杠螺母的接触

32、刚度，1080/BKNm716.7/CKNm丝杠的最小拉压刚度（见后面计算） 。螺母座刚度。min545.2/sKNm1000/HKNm陕西理工学院毕业论文（设计）第 12 页 共 41 页111114 1080716.710004 545.2eK324/eKNm丝杠系统轴向拉压振动的固有频率： (3.12)/eBKrad sm式中 m丝杠末端的运动部件与工件的质量和(N/m)；Ke丝杠系统的轴向拉压系统刚度(N/m)。显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，能满足要求。（4） 丝杠扭转刚度丝杠扭转刚度丝杠的扭转刚度按下式计算： (3.13)47.84mTdKL式中 丝杠平均

33、直径：mdL丝杠长度431.757.8415934/500TKNm r扭转振动的固有频率: (3.14)()3TTswzKJJJ式中 JW运动部件质量换算到丝杠轴上的转动惯量(kgm2)； JZ丝杠上传动件的转动惯量(kgm2)； JS丝杠的转动惯量(kgm2)。由文献7，8得：平移物体的转动惯量为2422000 0.01()5.2 109.812Jkg m丝杠转动惯量：陕西理工学院毕业论文（设计）第 13 页 共 41 页222111()884sssssJm dddL344213.14 7.85 100.5 0.032324 10 kg m421.6 10zJkg m4159344427.1

34、/42297 /min4(5.2 1.6) 103Trad sr显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，可以满足要求。（5） 传动精度计算传动精度计算滚珠丝杠的拉压刚度 (3.15)24sd EKL导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L 值分别为 300mm 和100mm。最大与最小机械传动刚度：25max0.03152.1 101635.7/4 0.1sAEKNmL25min0.03052.1 10102.5/4 0.3sAEKNmL最大和最小机械传动刚度：maxmin11240.65/1/1/1/1/545.2 1/716.7 1/1080osCBKNmKK

35、Kmaxmax11341/1/1/1/1/1635.7 1/716.7 1/1080osCBKNmKKK由于机械传动装置引起的定位误差为 (3.16)00min0max11()kFmKK111456.6 ()1.78240.65341km陕西理工学院毕业论文（设计）第 14 页 共 41 页对于 3 级滚珠丝杠，其任意 300mm 导程公差为 ，机床定位精度12 m，所以，可以满足由于传动刚度变化所引起的0.024/300mmmm24 1/54.8km定位误差小于（1/3 1/5）机床定位精度的要求。再加上闭环反馈系统的补偿，定位精度能进一步提高10。(1) 滚珠丝杠副的几何参数：滚丝杠副型号

36、：CDM2005-2.5 ； 公称直径：； 导程：；mmd200mmPh5钢球直径：； 丝杠外径：； 螺纹底径：mmDw175. 3mmd5 .19；旋环列数 圈数：； 额定动载荷；mmd6 .17115 . 2 8451:NCa额定静载荷：； 接触刚度： 18325:0NCa612:/ mNR螺母安装尺寸： 45D703D564D11B8 . 55D106D 6h78L281L4C3A6MM 3.43.4 齿轮传动比计算：齿轮传动比计算：已确定横向进给脉冲当量:，滚珠丝杠导程：，初选步进电机步距005. 0PmmL50角计算传动比：75. 0 48. 0575. 0005. 03603600

37、Libp考虑到结构上的原因，不能使齿轮直径太大，以免影响横向溜板的有效行程，所以，可采用两级齿轮降速： 2520402454534321ZZZZi因进给运动齿轮受力不大，模数取。m23.5 步进电机的计算和选型：步进电机的计算和选型：3.5.1 等效转动惯量计算：等效转动惯量计算：传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算：2cmkgJ陕西理工学院毕业论文（设计）第 15 页 共 41 页20222112LgGJJZZJJJSM其中：为步进电机转子的转动惯量；MJ2cmkg 为齿轮的转动惯量；1J1Z2cmkg 为齿轮的转动惯量；2J2Z2cmkg 为滚珠丝杠的转动惯量；SJ2cmkg

38、参考同类型机床，初选反应式步进电机其转子的转动惯量为：。BF150210cmkg 2431413162. 224 . 61078. 01078. 0cmkgLdJ2432423239. 6281078. 01078. 0cmkgLdJ；24334333952.2915041078. 01078. 0cmkgLdJNG600代入上式：20222112LgGJJZZJJJSM 22127.3625 . 08 . 9600952.2939. 6402462. 210cmkg 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题，基本满足惯277. 0127.36/10/JJM量匹配的要求。3.5.23.5.2 电机力

39、矩的计算机：电机力矩的计算机：机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面分别按各阶段计算：（1） 快速空载启动力矩：qM起在快速空载启动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： 0MMMMfamazq aaaaatnJtnJJM60102102602max2maxmax陕西理工学院毕业论文（设计）第 16 页 共 41 页 min/50036075. 0005. 01200360maxmaxrVnbPa启动加速时间：msta30aaaaatnJtnJJM60102102602max2maxmaxcmN 6 .6301003. 0605002127.362折算到电机轴上的摩擦力矩：fMcmN

40、ZZLGFFiLFMzf8 .4120258 . 025 . 0600268016. 02212000附加摩擦力距：0M 2120200009 . 0120258 . 025 . 0115531123112ZZLFiLFMm 228 . 59 . 0120258 . 025 . 0115531cmN 上述三项合计 cmNMMMMqfa2 .6878 . 51 .486 .6300max（2） 快速移动时所需力矩：KMcmNMMMfK6 .478 . 58 .410（3） 最大切削负载时所需力矩：QMiLFMMMMMMXffQ2000陕西理工学院毕业论文（设计）第 17 页 共 41 页 cmN

41、 9 .13220258 . 025 . 010728 . 58 .41从上面计算可以看出，、和三种工况下，以快速空载启动力矩最大，MqKMQM所以，以此项作为初选步进电机的依据。查资料，当步进电机为五项十拍时，；最大静力矩：951. 0/maxjqMMcmNMj1 .713951. 0/2 .687max按此最大静力矩，型反应式步进电动机的最大静转矩为：大于001130BFmN 31. 9所需最大静力矩，作为初选型号。进一步考核电机的启动频率特征和运行矩频特征3.5.33.5.3 步进电机空载启动频率和切削时的工作频率：步进电机空载启动频率和切削时的工作频率：根据机电一体化机械系统设计（机械

42、工业出版社），型反应式步进001130BF电动机允许的最高空载启动频率为：允许的最高空载运行频率为：HZ3000所以，必须采用升降速控制和高低压驱动电路。 HZ160003.63.6 纵向进给系统纵向进给系统纵向进给传动系统的改造如图2 所示。纵向步进电机1 通过一对减速齿轮2 把动力传递给纵向滚珠丝杠3 ,再由滚珠丝杠螺母副拖动工作台4 做往复移动。原车床的进给箱保留,滚珠丝杠左端仍然采用原固定支承结构，支撑轴6 通过套筒联轴器5与滚珠丝杠相连，这种联轴器用2 个互相垂直的锥销将支撑轴与丝杠联接起来，结构简单，径向尺寸小,可防止被连接轴的位移和偏斜带来的装配困难和附加应力。如图3 所示,滚珠

43、丝杠右端仍利用原有的滑动轴承承座4 ,通过一对深沟球轴承1 实现径向支承，丝杠左端通过一对圆螺母(图中未画)陕西理工学院毕业论文（设计）第 18 页 共 41 页3.6.1 设计参数设计参数纵向最大行程（Z 轴）650 mm；工作进给速度为 115000mm/min；纵向快速进给速度：15 m/min；床鞍及其他的估计尺寸（长 宽 高）：600mm 300mm 100mm；材料选为 HT200。加工最大直径: 在床面上400 mm ,在床鞍上i）,由 Y2 输出，实现工进。按下 X4时，M0,Y3 同时接通，电机快速反转，实现快退。4.7电气部分改造电气部分改造电气控制线路主电路如图7 所示,

44、QF1QF4 为空气开关,FU 为熔断器,对电路实现短路保护。M1陕西理工学院毕业论文（设计）第 37 页 共 41 页为7. 5 kW主电机,选择三菱FR - A540 - 7. 5K- CH变频器实现变频调速,交流接触器KM1 控制变频器的通电和断电。当变频器无故障时,B 端触头闭合,KM1 吸合,变频器通电;当变频器有故障时,B 端触头断开,KM1 线圈失电,其常开触头断开,变频器自动断电,同时A 端触头闭合,报警灯HL 显示报警。FR1 为热继电器,对主轴电机实现过载保护,RC1 为三相灭弧器,构成三相负载的阻容吸收回路,能够抑制接触器吸合释放时的干扰噪声。L 是为改善功率因素而使用的

45、交流电抗器。R、S、T 为变频器的电源输入端,U、V、W 为输出控制电机端,STF 和STR 分别接主轴正反转控制继电器触头KA1 和KA2 ,2 和5分别接主轴模拟量输出信号(0 + 10V) AO4 和AGND4 ,以控制变频器的输出电压频率。执行过程为:当PLC 发出主轴正反转信号时,KA1 或KA2 的常开触头闭合,KM1 线圈得电, KM1 的常开触头闭合,变频器开始工作, 当PLC 发出主轴制动信号时,KA6 的常闭触头断开, KM1 线圈失电, KM1 的常开触头断开,变频器停止工作,主电机停转。M2 是刀架电机,KM2 吸合时,刀架电机正转, KM3 吸合时,刀架电机反转,刀架

46、电机正反转的控制信号来自数控系统PLC 输出口Q0. 4 和Q0. 5。M3 为冷却泵电机,其控制信号来自数控系统PLC 输出口Q0. 2。陕西理工学院毕业论文（设计）第 38 页 共 41 页陕西理工学院毕业论文（设计）第 39 页 共 41 页结结 论论本次设计的是纵向及横切向进给系统，完成了系统中的尺寸计算及结构设计，并对其进行一系列的校核，各项性能指标完全满足要求，说明设计的结构是合理的。然后选择轴承和电机，并设计了床身等。由于专业知识的限制，无法对复杂的数控系统进行设计，但是，通过选择合适的数控系统，对数控原理有了一定的了解，并掌握了数控系统的一些连接方法。最后完成了典型零件的数控程

47、序编制，对程序的代码加深了印象，并对现代数控编程增进了了解。数控机床是促进国民经济发展的巨大源动力，它给机械制造业带来了高倍率的效益增长和现代化的生产方式。随着数控技术的发展，高品质，高可靠性，高性价比的CNC 系统具有丰富的功能，为数控技术的发展提供了充足的物质技术条件。同时，也给数控机床的机械结构提出了更高的要求。因此，研究一台数控车床对现代加工具有重要的意义。数控车床具有结构简单、价格便宜、故障率低、维修简单方便、效率高、操作编程简单等诸多优点，所以数控车床在很多加工行业都会成为应用的主体，随着数控技术和机床行业的发展，数控车床将有着广阔的发展前景。陕西理工学院毕业论文（设计）第 40

48、页 共 41 页致 谢眨眼间，三年的大学生活就在本论文的完成之际即将宣告结束。三年的不断学习，不仅是为了今天的毕业设计，也是为今后走上工作岗位作了准备。在三个月的毕业设计中，在陈建刚老师的严格要求及悉心指导下，按时完成了设计任务，并在此过程中巩固了本专业的知识，分析解决问题的能力也得到了进一步的提高。在此，谨向陈建刚教师表示衷心的感谢和崇高的敬意！此外，在毕业设计过程中，也得到了其他老师和同学的帮助，设计任务一直在很好的氛围中进行，在这里，也向他们表示真诚的感谢！再次向设计中所有提供过帮助的人表示感谢！陕西理工学院毕业论文（设计）第 41 页 共 41 页参考文献参考文献1 王爱玲.现代数控原

49、理及控制系统M.北京:国防工业出版社,2002.1.2 师鸿飞等.我国数控车床的现状和发展趋势N.现代制造,2002.3 周毅.数控车床在汽车制造业中的应用N.市场纵横,2005.4 白恩远.现代数控机床伺服及检测技术M.北京:北京工业出版社,2002.1.5 许兆丰等.车工工艺学M.北京:机械工业出版社,1980.6 中华人民共和国机械工业部统编M.科学普及出版社.7 成大先等.机械设计手册M.北京:化学工业出版社. 8 徐灏主编.新编机械设计师手册M.北京:机械工业出版社,1995.9 蔡乐安.数控车床滚珠丝杠副的研究设计N.农机化研究,2002.11.10 谢红.数控机床机器人机械系统设

50、计指导M.上海:同济大学出版社,2004.8.11 山东济宁博特精密丝杠制造有限公司. 博特产品系列.12 SIEMENS 公司.西门子(驱动系统和电机).2002.13 赵宝生.CNC32 数控车床的床身设计N.机械管理开发,2004.8.14 戴曙主编.金属切削机床.北京:机械工业出版社.1995.10.15 赵健.如何选择数控车床N.机械工程师,2001.3.16 关雄飞.数控加工技术综合实训M.北京:机械工业出版社,2005.8.17 余英良. 机床数控改造设计与实例M . 北京:机械工业出版社,1998.18 王荣芳. 变频器在生产教学两用数控车床研制开发中的应用J .变频器世界,2005 (4) :94 - 97. 陕西理工学院毕业论文（设计）第 42 页 共 41 页