C616型普通车床改造为经济型数控车床

一、设计任务

设计题目

C616型普通车床改造为经济型数控车床。

1.1 设计要求

由于是对原有机床进行经济型数控机床改造，因而在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，降低成本。根据C616车床有关资料，确定总体方案。

采用控制器进行控制，控制选择电机的输出经齿轮减速后，带动滚珠丝杆转动，从而实现纵向、横向进给运动。

图1 C616车床

1.2 主要设计参数及技术指标

主要设计参数及技术指标如下。

机械部分：

工作台重量：W=960N

时间常数：T=30ms

=9mm

滚珠丝杆基本导程：L

行程：X=660mm Y=320mm

=5μm/step

脉冲当量：δ

p

步进角：a=0.850/step

步进电机通电方式：四相八拍

快速进给速度：Vmax=2m/min

控制部分：

采用单片机

轨迹控制采用数字积分法（DDA）

步进电机的控制

二、总体方案设计

2.1 数控系统运动控制方式的确定

按照完成的加工制造任务，数控系统可分为点控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。于由要求C616车床能加工复杂轮廓零件，所以数控系统应该设计成连续路径控制型。

2.2 伺服进给系统的选择

数控机床的伺服进给系统有开环、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。

图2 开环控制系统

2.3 控制器的选择

由于C616普通数控机床经数控化改造后，实现控制性能的要求的控制算法不是很复杂。所以以MCS-51系列的8位单片机作为控制器，外扩存储器、D/A转换器、I/O接口电路、键盘、显示器等组成改造后机床的控制系统。

2.4 进给传动机构

纵向进给机构的改造:拆去原有机床的溜板箱、光杠、丝杠以及安装机座，选用摩擦力小、传动效率和传动精度高的滚珠丝杠副，且由步进电机驱动。横向进给也是换以步进电机驱动的滚珠丝杠副。

2.5 主传动系统

保留主传动系统，即保留原有的主传动机构和变速操纵机构。但是主轴的正

转、反转和停止由计算机控制。为了使机床能够加工螺纹，需要安装能够检测主轴位置的编码器。编码器既可以与主轴同轴安装，即安装在主轴的后端，也可以通过1:1的同步带轮与主轴连接。

三、机械部分设计与计算

3.1纵向进给系统的设计计算 纵向进给已知参数：

工作台重量： W=960N

时间常数： T=30ms 滚珠丝杠基本导程： L 0=9mm 行程： S=640mm

脉冲当量： δp =5step m /μ=0.005mm/step 步进角： α=0.85°/step 快速进给速度： V max =2mm/min

3.1.1切削力计算

由《机床设计手册》和相关资料可知，切削功率

K N N 0η=

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：

2.496kW 0.960.654N 0=⨯⨯= 又因为

νZ F =0N 所以 v

N 0

Z F =

式中 v ——切削线速度，取v=100m/min,即v=1.67m/s,有

主切削力

1495(N)67

.110964.2 F 3

0Z =⨯==v N 由《机床设计手册》中可知，在一般外圆车削时： F X =（0.1～0.6）F Z F Y =(0.15～0.7) F Z 取：

748N 1495N 0.5F 0.5F Z X =⨯== 897N 1495N 0.6F 0.6F Z Y =⨯== 3.1.2 滚珠丝杠设计计算

计算进给率引力（m F ）综合导轨车床丝杠的轴向力: W)(F 'kF F Z X m

++=f

式中 K=1.15，f ′=0.15～0.18，取为0.16。 则

1254N 0)69(14950.167481.15F m

=+⨯+⨯=

计算最大动载荷负荷C 滚珠丝杠导程初选mm 90=L ；取min /2s m =ν；T 按15000h 计算；取2.1=w f ，1=h f ；L 以610转为一单位。

寿命值 2.222min /9

21000min /10000=⨯==

r r L v n s 20010

150002.2226010606

6≈⨯⨯==

nT L 最大动负荷为 N F f f L C

m w 8800125412.12003h 3=⨯⨯⨯==

滚珠丝杠螺母的选型

根据滚珠丝杠的相关数据，可采用30051L W 外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副1列2.5圈，其额定动载荷为10700N ，精度取3级，公称直径32mm ，所以强度足够用。其结构如图3所示。

图3 滚珠丝杠螺母结构

传动效率计算 传动效率按式)

tan(an φγγ

η+=

t 计算，取'393︒=γ；φ摩擦角取10’,滚动摩擦因数

一般为0.003~0.004，则带入数据计算得 953.0)

'1039'3tan(39'

3an )tan(an =+︒︒=+=

t t φγγη

刚度验算

丝杠的拉伸或压缩变形量1δ。滚珠丝杠受工作负载引起的导程0L 的变化量按式

EA

L F 0

m L ±

=∆计算，式中N F 1254m =，mm L 90=，24cm /106.20N E ⨯=，mm 301.28d =取A 为

π2

2/d ）（，带入数据计算得 mm EA L F 5

2

60m 1088.814

.3)2/031.28(106.2091254L -⨯±=⨯⨯⨯⨯±=±

=∆ 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量2L ∆很小，可以忽略。