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CA6140数控化改造(完美版)


西安工业大学 机电一体化课程设计

CA6140 横向进给系统的数控化改造

学生: 学号:110209 专业:机械设计制造及其自动化 日期:2014.7.1

摘要
目前大多数企业还有数量众多,而且还有较长使用寿命的普通机 床,由于普通机床加工精度相对较低,不能批量生产,生产的自动化 程度不高,生产自适性差

,但考虑投资成本,产业的连续性和转型周 期,又不能马上淘汰。而把普通机床改装成数控机床不失为一条投资 少,提升产品加工精度及质量,提高生产效率的捷径,使企业提升竞 争力,在我国成为机械制造强国的进程中占有一席之地。 数控机床的优点:具有高度柔性,加工精度高,产品质量稳定、 可靠,生产效率高,可加工形状复杂的零件,改善劳动条件,有利于 生产管理和机械加工自动化的发展。 在数控机床上加工零件,主要取决于加工程序,它与普通机床不 同,不必制造、更换许多工具、夹具,不需要经常调整机床。因此, 数控机床适用于零件频繁更换的场合。也就是适合单件、小批生产及 新产品的开发,缩短了生产准备周期,节省了大量工艺设备的费用。 目前机床数控化改造的市场在我国有很大发展空间,用普通机床 加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、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。本文以车床的数控改造为例,介绍了机床数控改造的方法,包 括其结构的改造设计,性能以及最后改造方案的确定。 关键字:机床,数控化,改造

一、总体改造方案的确定 1.CA6140 普通车床简介
车床基本组成如下图所示:

2.改造内容及要求
本课程设计要求在熟悉 CA6140 进给机构的基础上, 对其进行 数控化改造,使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工,由 此不但可以提高加工精度和生产率,而且成本低、周期短。具体 要求如下: (1)在综合考虑资金投入、车窗性能的基础上,将普通车床 的横向进给轴进行数控化改造,确定系统改造方案; (2)按照系统改造方案,应用提供的设计参数,选择、校核 驱动电机、滚珠丝杠和传动齿轮,并对其他相关机械结构进行设

计,设计完成时要求绘制出横向轴的装配图,并撰写设计说明书。 注意:横向结构设计要考虑与 CA6140 主体的安装问题

3.主要设计参数
滑架重量 300N; 直线脉冲当量 0.005mm/p; 最大工进速度 0.3m/min; 最快移动速度 1.0m/min; 工作载荷 1000N; 摩擦系数 0.1; 横向最大行程 400mm;

4.确定改造方案
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)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度,尽量减少摩擦量 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。 齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结 构。

5.黑箱法

6.功能树

7.形态学矩阵

二、横向进给系统机械传动部分的设计
机床进给系统机械传统部分的设计计算内容包括:确定进给系统 所受的载荷、系统的脉冲当量、运动部件的等效负载转动惯量以及等 效负载转矩的计算,滚珠丝杠副的选择、各传动零部件的设计计算、 导轨的设计、电机的选择、绘制进给系统机械传动部分的装配图、零 件图等。 1.确定系统的脉冲当量 一个进给脉冲使机床运动部件产生的位移量称为脉冲当量,是评 价 数 控 加工 精度的 一 个 基本 技术参 数 。 设计 参数中 给 出 横向 是 0.005m/p。 2.计算切削力 切削力的计算方法有多种,既可以根据切削用量计算,也可以根 据主传动功率计算或根据经验公式计算。 纵切外圆:

根据主传动功率计算法,主切削力 Fz 为

Fz ?

PE ??m ? 60 ?103 ? ? D ? nj

式中:PE——主传动系统的功率(KW) ;
?m ——主传动系统的传动效率,通常取 0.8;

nj——机床主轴的计算转速(r/min); D——在床身上工件的最大回转直径(m) 。 对于 CA6140 普通车床,PE=7.5KW,D=0.4m,nj=50r/min。 所以

Fz ?

PE ??m ? 60 7.5 ? 0.8 ? 60?1000 ?1000? ? 5732N ? ? D ? nj 3.14? 0.4 ? 50

主切削力计算出来之后,根据经验公式 Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4,计算 出 Fx 和 Fy

Fx ? 5732? 0.25 ? 1433N Fy ? 5732? 0.4 ? 2293N
横切端面: 横切端面时的主切削力 F’z 可取纵向切削力的 1/2。

F ?z ? 5 7 3 ? 20.5 ? 2 8 6 N 6
此时走刀抗力为 F’y,吃刀抗力为 F’z.仍按上述比例粗略计算:

F ?y ? 2866? 0.25 ? 717N F ?x ? 2866? 0.4 ? 1146N

3.滚珠丝杠副的选型计算

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 d0(丝杠外径 d) 、导程 L、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。 本设计采用双螺母螺纹式预紧结构,它通过调整端部的圆螺母, 使螺母产生轴向位移。其特点是结构较紧凑,工作可靠,滚道磨损时 可随时调整,预紧量不很准确,应用较普遍。 横向进给丝杠: (1)计算进给牵引力 由前可知 F’x=1146N,F’y=717N,F’z=2866N G=300N,f=0.1 丝杠的进给牵引力 Fm=KF’x+f (F’y+2F’z+G) 式中:K——考虑颠复力矩影响的实验系数,取 K=1.4;

f——滑动导轨摩擦系数; G——拖板及刀架部分的重力。 则:

Fm ? KF ?x ? f ( F ?y ? 2 F ?z ? G ) ? 1.4 ?1146? 0.1? (717 ? 2 ? 2866? 300 ) ? 2280N
(2)计算最大动载荷 利用滚珠丝杠副的直径 d0 时,必须保证在一定轴向负载作 用下,丝杠在回转 100 万转(106 转)后在它的滚道上不产生 点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的 最大动负载 C,可以用下式计算:

c=
L=
n?

3

L f w Fm

60 ? n ? T 10 6

1000?? s L0

其中 Vs 为最大切削力条件下的进给速度,可取最大进给速 度的 1/2。 根据给定的设计参数,取

?s ? ? 0.3 ? 0.15 m / min
初选丝杠的导程 L0=5mm,算得

1 2

n?

1000 ? 0.15 ? 30 r / min 5

T 为使用寿命,L 为寿命,按 15000h 计算得

L?

60 ? 30 ?15000 ? 27 10 6

fw 为载荷系数,按一般运转取 1.2-1.5,这里取 1.2,可得最大动 载荷为

C ? 3 L fwFm ? 3 27 ?1.2 ? 2280? 8208N
(3)滚珠丝杠副的选型 根据计算的丝杠的最大动载荷,查产品样本表,横向滚珠丝 杠副选用系列型号 3205-3,外径 31.2mm,底径 28.2mm,公称直 径 32mm,导程 5mm,循环圈数为 3X2,额定动载荷为 10678N,额 定静载荷为 29091N。 滚珠丝杠副的额定动载荷大于其最大动载荷, 满足承载能力的要求。 (4)传动效率的计算 滚珠丝杠副的传动效率为

??

tan? tan( ? ??)

式中,γ ——螺旋升角; Φ ——摩擦角取 10?,滚珠丝杠副的滑动摩擦系数 f=0.003-0.004

L0 5 ) ? arctan( ) ? 2.85? ?d 0 3.14 ? 32 tan 2.85? ?? ? 0.945 ? tan(2.85? ? 10 )

? ? arctan(

(5)刚度验算

滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动 的平稳性因此应考虑以下引起轴向变形的因素:丝杠的拉伸或压 缩变形量;滚珠与螺纹滚道间的接触变形;支承滚珠丝杠的轴承 的轴向接触变形;滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量;和螺 母座及轴承支座的变形。最后一种常为滚珠丝杠副系统刚度的薄 弱环节,但变形量计算较为困难,一般根据其精度要求,在结构 上尽量增强其刚度而不作计算。因此滚珠丝杠副刚度的验算,主 要是前三种变形量。 横向滚珠丝杠副的两端均采用向心推力球轴承,且丝杠进行 预拉伸。最大进给牵引力为 2280N,左右支承的中心距离 L 约为 450mm。丝杠螺母及轴承均进行预紧。 计算如下: 1)丝杠的拉伸或压缩变形量δ
1

受丝杠载荷 Fm 作用引起的导程的变化量Δ L 为

?L ?

Fm ? L 0 E?A

式中进给牵引力 Fm=2280N;丝杠的导程 L0=5mm;钢材料的 弹性模量 E=20.6X104(N/mm2) ;滚珠丝杠的底径截面积为 A

A ??(
?L ?

28 .2 2 ) ? 625 mm 2 2

Fm ? L0 2280 ? 5 ? ? 0.885 ?10 ? 4 mm 4 E ? A 20.6 ?10 ? 625

?L ? 0.885?10 ? 450 ? 0.008m m ? a ? ?L L0 5
由于丝杠采用了预拉伸,其拉压刚度可以提高 4 倍,故实 际变形量为

?4

? 1 ? ?a ? ? 0.008 ? 0.002 mm
2)滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ 有预紧时
2

1 4

1 4

? 2 ? 0.0013?

Fm
3 2 d 0 FgZ ?

式中,轴向工作载荷 Fm=2280N,预紧力 Fg=Fm/3=760N, 滚珠直径 dq=3.175mm,滚珠数 Z=32π /dq=31.7,综合考虑 后取 Z=30,滚珠数量 ZΣ =每一圈的滚珠数 Z X 圈数 X 列数 = 30 X 3 X 2=180,带入上述表达式得
? 2 ? 0.0013?
? 0.0013? Fm
2 103 dqFgZ ? / 10

2280

103 3.175? 760? 1802 / 10 ? 0.00149 mm

3)支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ 采用向心推力球轴承
2 F m ?c ? 0.0024? 3 dq ? Z 2

3

2282 ? 0.0024? 3.175? 302 ? 0.00631 mm
3

注意,此公式的 Fm 的单位应为 kgf 因施加预紧力,故

? 3 ? ?c ? ? 0.00631 ? 0.00315 mm
根据以上计算可得

1 2

1 2

? ? ? 1 ? ? 2 ? ? 3 ? 0.002 ? 0.00149 ? 0.00315 ? 0.00664 mm
查表,刚度满足要求。 4)稳定性校核 根据临界载荷 Fc 可根据下式计算

fz? 2 EI Fc ? L2
式中,E——材料弹性模量,钢为 E=20.6X106N/cm2
4 I——截面惯性矩, I ? ?d / 64 ,此处 d 为丝杠内径

L——丝杠两支承距离 L=450mm=45cm fz——丝杠支承方式系数,fz =2

I ? ?d / 64 ?
4

? ? 28.24
64

? 31043 .2m m4

fz? 2 EI 2 ? ? 2 ? 20.6 ?106 ? 3.10432 FC ? ? ? 623359 N L2 452

nk ?

Fc 623359 ? ? 273 .4 ?? 稳定性安全系数 [nk ] ? 2.5 ? 4 Fm 2280

故丝杠不会失稳,从几个方面看初选的滚珠丝杠副满足要求。

三、机床进给系统步进电机的设计计算与选择
选用步进电机时, 根据机械结构草图计算机械传动装置及负载 折算到电机轴上的等效转动惯量,分别计算各种工况所需的等效 力矩,在根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合 适的步进电机。 1.横向进给减速箱传动比的计算 为使工作台达到 1m/min 的移动速度,所需丝杠的转速为

ns max ?

v max 1000 ? ? 200 r / min L0 5

若步进电机的步距角为 0.75o, 为使工作台达到 1m/min 的速度, 所需的电机转速为

nm max ?

v max?b 1000 ? 0.75 ? ? 417 r / min 360 ?? 360 ? 0.005

因此,为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩,同时也为了 使传动系统的负载惯量尽可能地减小,在步进电机与丝杠之间采 用一级齿轮机构进行降速传动。 设传动比 i,初选步进电机的步距角为 0.75o,则

i?

360? 360 ? 0.005 ? ? 0.48 ?bL 0 0.75 ? 5

可选定齿数为:Z1=24,Z2=50。 因为进给运动齿轮受力不大,模数取 2。则分度圆直径 d 分别 为 d1=mz1=48mm,d2=mz2=100mm,齿顶圆 d a ? d ? 2m ,齿底圆

d f ? d ? 2 *1.25m 。齿轮的厚度 b1=20mm,b2=24mm。

2.负载等效转动惯量的计算 根据传动系统折算电机轴转动惯量的公式可得 JΣ 如下

Z1 2 ? G L0 2 ? J? ? JM ? J 1 ? ( ) ? ?( J 2 ? Js ) ? ? 2 ? Z2 ? g 4? ?
式中,JM——步进电机转子转动惯量; J1,J2——齿轮 Z1,Z2 的转动惯量; Js——滚珠丝杠转动惯量。 查产品样本,初选反应式步进电机 150BF002,起转子转动惯 量 JM=10Kg·cm2 圆柱转动惯量 J ?

1 ?d 4 ? L ? ? 32

式中, ? 为钢的密度,7.8X10-3Kg/cm3,L 为圆柱体长度(cm) , d 为圆柱直径(cm) 。 带入上式得:

J 1 ? 0.78?10?3 ? d14 ? L1 ? 0.78?10?3 ? 4.84 ? 2 ? 0.83kg ? cm2
4 J 2 ? 0.78?10?3 ? d 2 ? L2

? 0.78?10?3 ?104 ? 2.4 ? 18.72kg ? cm2

Js ? 0.78?10?3 ? d 04 ? L ? 0.78?10?3 ? 2 4 ? 45 ? 0.56kg ? cm2
G=300N,g=9.8,L0=0.5cm 所以电机的总转动惯量为

Z1 2 ? GL0 2 ? J ? ? JM ? J 1 ? ( ) ?( J 2 ? Js ) ? 2 ? Z2 ? 4? g ? 24 2 ? 300? 0.52 ? ? 10 ? 0.83 ? ( ) ?(18.72 ? 0.56) ? ? 50 ? 4? 2 ? 9.8 ? ? 15.317kg ? cm2

J ? / JM ? 15.317 / 10 ? 1.5 ? 4 , 满足惯量匹配的条件。
3.等效负载转矩的计算 (1)快速空载启动转矩 Teq1 在快速空载启动阶段,考虑到传动链的效率,电机的等效负载 转矩为

Teq1 ? Ta max? Tf ? T 0 J ? ?? J ? nm max 2?J ? nm max Ta max ? ? ? ?10?2 ? ?10?2 ? ? 60 ta 60ta? 2?
上面已经算出 nmmax=417r/min,取启动时间 ta=0.1s,η =0.8, 带入上式得

Ta max ?

2? ?15.317 ? 417 ?10 ? 2 ? 83.61N ? cm 60 ? 0.1? 0.8

折算到电机轴上的摩擦力矩 Tf 为

Tf ?

F 0 L0 f ?( Fz ? G) L0 0.1? (2866? 300) ? 0.5 ? ? ? 15.12N ? cm z2 50 2??i 2?? 2? ? 0.8 ? z1 24

附加摩擦力矩 T0 为

T0 ?

Fy 0 ? L 0 2 (1 ? ? 0 ) 2??i

式中,滚珠丝杠预加负载 Fy0=Fm/3=2280/3=760N,滚珠丝杠未 预紧的传动效率? ? 0.9 。 带入上式得

T0 ?

760? 0.5 (1 ? 0.92 ) ? 6.89N ? cm 50 2? ? 0.8 ? 24

上述三项合计得

Teq1 ? Ta max? Tf ? T 0 ? 83.61 ? 15.12 ? 6.89 ? 105 .62 N ? cm
(2)最大切削负载时所需力矩 Teq2

Teq 2 ? Tf ? T 0 ? Tt F ?yL 0 ? Tf ? T 0 ? 2??i ? 15.12 ? 6.89 ? ? 90.48N ? cm
施加在电机轴上的最大等效负载转矩为

717? 0.5 50 2? ? 0.8 ? 48

Teq ? max{ Teq1, Teq2} ? 105.62N ? cm
以此作为选择电机的依据。 4.步进电机性能校核 (1)校核启动转矩 产品样本中给出的电机最大静转矩是 14N·m,采用 5 相 10 拍 通电方式。步进电机的启动转矩 Tq 为

Tq ? 0.951? Tj max ? 0.951?14?102 ? 1331 .4 N ? cm
Tq>Teq,满足要求。 (2)校核运行频率 计算空载运行频率 fmax 为

f

max

?

1000 v max 1000 ?1 ? ? 3333 .3Hz ? ? 60 0.005 ? 60

计算切削时的运行频率 ft 为

ft ?

1000 vs 1000 ? 0.3 ? ? 1000 Hz ? ? 60 0.005 ? 60

预选的 150BF002 型感应式步进电机的空载运行频率是 8000Hz,大于所需的运行频率,满足要求。 (3)校核启动频率 根据前面的计算,电机轴上的总转动惯量 J=15.317kg·cm2, 电机转子的转动惯量是 JM=10kg·cm2,查相关书籍可知本电机的 空载启动频率是 2800Hz。 根据公式,步进电机带惯性负载的最大启动频率 fl 为

fL ?

fm 1? J ?

? JM

2800 ? 1759 .8Hz 1 ? 15.317/ 10

显然满足不了带载直接启动的要求,需要采用升降频控制,以 保证电击启动时不产生失步现象。 在完成运动及动力计算后,已经确定了滚珠丝杠螺母副、步进 电机规格型号,以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后,就可以画 出机械装配图。

四、总结
刚开始设计,我先通过图书馆和上网查阅了大量的资料,以全 面、深入地了解与自己设计题目相关的知识,并且完成了外文资 料的翻译工作。在此期间我不仅对自己的设计题目有了深入的了 解,并在此基础上确定了总体设计方案,而且学会了如何在网上 获得自己所需资源。此后便开始了对伺服系统机械部分的计算与 设计。此过程也就是综合这四年来所学到的知识,选择合适、安 全的机械零件,其中设计计算内容主要包括:确定系统的负载, 确定系统脉冲当量,运动部件惯量计算,空载起动及切削力矩计 算,确定伺服电机,传动及导向元件的设计、计算及选用,绘制 机械部分装配图及零件图等。 通过这次设计,我对普通车床的改造有了系统性的认识和基 础性的把握;熟悉了其设计原理及流程;并对传动系统和伺服系 统进行了针对性的学习。而且使我具有初步设计计算的能力以及 分析和处理生产中所遇见的机、电方面技术的能力。通过设计,

培养了我独立思考问题和解决问题的能力。树立了正确的设计思 想,掌握了机电一体化产品设计的基本方法和步骤。通过设计, 使我能熟悉地查找和应用有关参考资料、计算图表、手册、图册 和规范,熟悉有关国家标准,以完成一个工程技术人员在机电一 Word 的操作知识,CAD 的操作能力也得到了很大的提高。 在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了, 同学之间 互相帮助,有什么不懂的大家在一起商量,听听不同的看法对我 们更好的理解知识,所以在这里非常感谢帮助我的同学。 总之,不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多,真是万 事开头难,不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感 觉。此外,还得出一个结论:知识必须通过应用才能实现其价值! 有些东西以为学会了,但真正到用的时候才发现是两回事,所以 我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在设计过程中, 我通过查阅大量有关资料,与同学交流经验和自学,并向老师请 教等方式,使自己学到了不少知识,也经历了不少艰辛,但收获 同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西,也培养了我独立工 作的能力,树立了对自己工作能力的信心,相信会对今后的学习 工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力,使我 充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。

参考文献 机械工业《机床设计手册》编写组编.机床设计手册.机 械工业出版社.1998. 普通 CA6140 车床的说明书 《机械制造技术基础》主编:何宁 2011 年 4 月第一版 《机械设计》主编:濮良贵、纪名刚 2006 年 5 月第八版 《机电一体化系统设计》主编:张建民 2007 年 7 月第三版 《机械设计课程设计图册》主编:陈秀 1989 年 5 月第三版 《机械制图》主编:张彤 2006 年 7 月第二版 《几何量公差与检测》主编:甘永立 2010 年 1 月第九版


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