2046 C6132车床数控化改造及纵向进给机构设计(含全套毕业说明书和机械CAD图纸)综述

大学

毕业设计（论文）

题目：C6132型卧式车床的数控化改造

总体设计及纵向进给设计

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摘要

本次设计是对普通车床C6132的数控化改造。在这里主要包括:主传动系统的改造、纵向进给系统的改造、横向进给系统的改造。而我主要是针对纵向进给系统进行机械改造。这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。

数控改造主要传动系统的机械改造。由于对经济型数控机床的加工精度要求不高，为简化结构、降低成本。通过控制横进给系统，保证改造后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。为实现机床所要求的传动效率，采用步进电机经联轴器再传动丝杠；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。

关键词：车床数控改造联轴器滚珠丝杠

Abstract

This design is about the common Lathe C6132 transformation of NC. Main tasks are: the transformation of the main transmission system, the transformation of the vertical feeding system, horizontal feed system reform. While I was mainly aim at the lateral feeding system mechanical transformation. The graduation project on the design of the basic skills training has improved the analysis and the ability to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design.

NC transformation is mainly a transformation of mechanical drive system. Because of the economy less precision CNC machining, it is order to simplify the structure and reduce costs. By controlling the cross-feed system, it ensures the modified lathe with positioning, linear interpolation, circular interpolation, and pause. Required for the realization of the transmission efficiency of machine tool, we should us a stepping motor drive and then screw through the coupling. To ensure a certain degree of driving accuracy and stability and minimize friction, a ball screw pair is needed.

Keywords: lathe, NC Transformation , Coupling ,Ball Screw

目录

一、前言 (1)

二、设计任务 (1)

三．总体方案的确定 (1)

四、机械传动方案的分析与计算 (1)

（一）脉冲当量的确定 (1)

（二）切削力的计算 (2)

（三）纵传动系统的分析与计算（Z轴方向） (2)

1.滚珠丝杠螺母副的计算与选型（纵向） (2)

2、减速箱的设计（纵向） (4)

3、步进电动机的计算与选型（纵向） (6)

4、同步带传送功率的校核（纵向） (9)

（四）纵向传动系统的分析与计算（X轴方向） (10)

1、滚珠丝杠螺母副的计算与选型（横向） (10)

2、减速箱的设计（横向） (12)

3、步进电动机的计算与选型（横向） (12)

第一章前言

数字控制机床（Numerical Control Machine Tools）简称数控机床，这是一种将数字计算机技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置，经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性、高效能的自动化机床，是典型的机电一体化产品。

数控机床一般由下列几个部分组成：

1）主机，它是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件，是用于完成各种切削加工的机械部件。

2）数控装置，是数控机床的核心，相当于人的大脑，它包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

3）驱动装置，它是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动系统、伺服驱动系统、主轴电机及伺服电机等。它在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线以及曲面的加工。

4）辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

5）编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

与普通机床相比，数控机床有如下特点：

1）加工精度高，具有稳定的加工质量；

2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；

3）加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；

4）机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3-5倍）；

5）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；

6）对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。

数控机床的优点：

1）数控机床能缩短生产准备时间，增加切屑加工时间的比率；

2）使用数控机床进行生产，加工的零件精度高，产品质量稳定,从而有效的提高了产品在市场上的竞争力；

3）数控机床具有广泛的适应性和较大的灵活性，因此能够完成很多普通机床很难完成或者根本不能加工的、具有复杂型面、要求高精度的零件的加工；4）许多数控机床如加工中心具有自动换刀功能，使零件一次装夹之后就能够完成多个加工部位的加工，实现了一机多用，大大节省了设备和厂房面积；5）生产者可以对生产成本进行预算，并对生产进度进行合理的安排，以达到提高经济效益的目的；

6）应用数控机床进行生产，减轻了工人的劳动强度，提高了工人工作的环境质量，增加了工人的生产积极性，促进了生产，提高了生产效率。

随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。

一、数控机床的产生

数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。

二、数控机床的发展

自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。

第一代数控：1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。

第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。

第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。

第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。

第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。

目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。

近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造

系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。

机床数控化改造的意义

制造技术和自动化水平的高低已成为一个国家或地区经济发展水平的重要标志，而其中最具代表性的就是数控机床。目前，我国是机床生产大国，但不是机床制造强国，国产机床的发展仍然难以支撑国民经济和国防军工的需要。与世界先进水平相比差距仍然十分明显。因为一方面我国普通机床保有量大，要将普通机床淘汰掉是不经济的，也是不现实的；另一方面，从我国目前生产状况来看，仍然以生产普通机床为主。然而，用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、精度低、成本高、供货期长等缺点，从而使产品在国际、国内市场上缺乏竞争力，这将直接影响一个企业的生产效益以及生存和发展。所以大力提高机床的数控化率已迫在眉睫，有很大的意义，而且普通机床的数控化改造将会长期存在，并会不断的发展。

机床数控改造的意义：

1）节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。

2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。

3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。

4）可以采用最新的控制技术。可以根据技术革新的发展速度及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改造为具有当今水平的机床。

9

10 二、设计任务

题目：普通车床C6132数字控制改造

任务：将一台C6132卧式车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下：

（1）床身上最大加工直径320mm ；

（2）最大加工长度750mm ；

（3）X 方向（横向）的脉冲当量δx=0.005mm/脉冲,Z 方向（纵向）δz=0.01mm/脉冲；

（4）X 方向最快移动速度ｖxmax=2500mm/min,Z 方向为ｖzmax=5000mm/min ；

（5）X 方向最快工进速度v maxf=400mm/min,Z 方向为v zmaxf=800mm/min;

（6）已知要求：背吃刀量mm a p 0.2 ，进给量f=0.2mm/r

（7）已知横向移动部件重G=500N,纵向移动部件重为G=1000N.

（8）安装螺纹编码器，可以车削米/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24mm ；

（9）安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；

（10）自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变速与无级变速信号；

（11）自动控制冷却泵的起/停；

（12）安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开；

（13）纵、横向安装限位开关；

三、总体方案的确定

总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU 的选择以及进给传动方式和执行机构的选择等。

（1）卧式车床数控系统化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。

（2）卧式车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电动机的开环控制系统。

（3）根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS —51系列的8为单片机作为数控系统的CPU 。MCS —51系列8为机具有功能多、速度快、 抗干扰能力强、性/价比搞等优点。

（4）根据系统的功能要求，需要扩展成雪存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O 接口电路、D/A 转换电路、串行接口电路等；还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。

（5）为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。

（6）计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有削间隙机构。

（7）选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。

四、机械传动方案的分析与计算

为了提高传动效率和产品的加工精度，纵、横向传动全部用滚珠丝杠。由于

本次改造的是经济型数控机床，其结构简单、价格便宜，调试、维护方便，一般用于精度不高的经济型数控机床，并且本次改造的机床主要用于粗加工及半精加工。为降低改造成本，决定采用伺服半闭环控制方式对X 轴（横向）和Z 轴（纵

向）进给系统进行改造。采用伺服电机经齿轮减速再传动给X 轴和Z 轴丝杠；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。

1、纵向进给系统的设计 经济型数控车床的改造一般是伺服电动机减速驱动丝杆，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。伺服电机的布置，可放在丝杆的任意一端，对车床的改造来说，外观不必象产品设计要求的那么高，而从改造方便，实用方面考虑，一般都把步进电机放在纵向丝杆的右端。

2、纵向进给系统的设计计算 已知条件：

工作台重量W=800N ，加速时间常数t=25ms ，滚珠丝杠基本导程L o =6mm ，快速进给速度V max =2m/min 。切削力计算由《机床设计手册》可知，切削功率式中

Pc=N ηK

P------电机功率，由条件我们选 P=4 KW

η----主传动系统总效率，一般为0.75～0.85,取η=0.8;

K------进给系统功率系数，取为K=0.96

则： Pc =4×0.8×0.96=3.072kW

切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力(或转距)和最大切削转速(或转速)来计算,即

Pc =60

z νF ×103-

或

Pc=9550

Tn 式中 F z ---主主切削力(N);

ν----切削速度（m/min ）

T----切削转距(N.m)

n----主轴转速(r/min)

设按最大切削速度来计算，取ν=100m/min ，则主切削力 Fz=31060⨯v P c =100

10072.3603⨯⨯（N ）=1843.2（N ） 从《机床设计手册》中可得知，在一般外圆车削时：

Fx=(0.1～0.6)Fz Fz=(0.15～0.7)Fz

Fx=0.5Fz=0.5×1843.2＝921.6N

Fy=0.6Fz=0.6×1843.2=1105.92N

(2)滚珠丝杆设计计算 滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计归为滚珠丝杠副型号的选择。

1）计算作用在丝杠上的最大动负

荷Q F ：首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出丝杠副应能承受的最大动载荷Q F 。

式中 Q F —工作负载(N)指数控机床工作时实际作用在滚珠丝杆上的轴向力; w f —运转系数，一般运转系数w f 取1.2~1.5，有冲击的运转w f 取1.5~2.5； H f —硬度系数，为60HRC 时，H f 为1；为<60HRC 时，H f >1;

G —寿命(以610转为单位1，如1.5则为150万转)。

寿命G 可按下式计算：

G=6

1060nT 式中 n —滚珠丝杠的转速(r/min);

T —使用寿命时间(h),数控机床T 取15000h 。

工作负载的数值可用《机床设计手册》中进给牵引力的实验公式计算，对于三角形或综合导轨

p F =k Fx +'f (z F +W)

式中 p F 、z F —切削分力；

W —移动部件的重力(800N)；

k —考虑颠覆力矩影响的系数，k=1.15；

'f —导轨上的因数，'f =0.15~0.18，取'f =0.16。

则 p F =[1.15×921.6+0.16(184302+800)]N=1482.752N

当机床以线速度v=100m/min,进给两f =0.3mm/r,车削直径D=80mm 的外圆时，丝杠的转速

n=

0DL vf π×310= 68014.33.0100⨯⨯⨯×310r/min 则G=61060nT =610

150009.1960⨯⨯万转=17.91万转 根工作负载p F 、寿命G ，取w f =12，H f =1，计算出滚珠丝杆副承受的最大动负荷

Q F =3G p H w F f f =391.17×1.2×1×1482.752N=4655.3N

由F Q 查滚珠丝杠的产品样本或《机床设计手册》,选择丝杠的型号.现在我

们参照江苏天安机械有限公司的滚珠丝杠的产品样本,选择滚珠丝杠的直径为32mm，型号为CDM3206-2.5-P3，其额定动载荷是14022N，强度足够用。

参数技术:

2）效率计算：根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率0η为

式中 γ—螺纹的螺旋升角，该丝杠为325

φ—摩擦角，φ约等于'10。

则0η=)

10253tan()'253tan('+︒︒=0.953 3)刚度验算：滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，将引起基本导程L 0的变化，因滚珠丝杠扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量∆L 0为

∆L 0= ES L F p 0

±

式中 E —弹性模量，对于钢，E=20.6×106N/c 2m ；

S —滚珠丝杠截面积（按丝杠螺纹底径确定d ，若d=2.77cm ），则

S=2277.24

cm ⨯π=6.03c 2m 。

其中，“+”用于拉伸时，“－”用于压缩时。

则∆L 0=cm 023.6106.206.0752.14826⨯⨯⨯±=cm 61007.7-⨯± 丝杠1m 长度上导程变形总量误差总L ∆为

总L ∆=m m L L /1007.76

.010*******μ-⨯⨯=∆=11.78m m /μ 因3级精度丝杠允许的螺距误差为15m m /μ，故此丝杠的精度足够。

（3）确定齿轮传动比 根据系统的脉冲当量，选步进电动机的步距角075.0=θ，则

25.101

.0360675.0=⨯⨯=i 取齿轮齿数,241=Z 302=Z ,齿轮模数m=2m m,齿轮传动时效率98.0=i η

（4）佩服电机的选择

1）负载传动惯量估算 折算到伺服电机轴上的传动惯量可按下式估算

222321)180(πθ

δg i W i J J J J F +++= 式中 F J --折算到电动机轴上的转动惯量（)2cm kg ⋅

-1J 齿轮1Z 的转动惯量（2cm kg ⋅）

-2J 齿轮2Z 的转动惯量（2cm kg ⋅）

-3J 丝杠的转动惯量（2cm kg ⋅）

-δ估算参数。

对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式估算

L D J 44108.7-⨯=

式中 D —圆柱零件的直径（cm ）

L--_零件轴向长度（cm ）

所以，2244414.018.4108.7cm kg cm kg J ⋅=⋅⨯⨯⨯=-

2244201.116108.7cm kg cm kg J ⋅=⋅⨯⨯⨯=-

2244345.111402.3108.7cm kg cm kg J ⋅=⋅⨯⨯⨯=-

222222299.0)75

.014.301.0180(8.925.1800)180(cm kg cm kg g i W ⋅=⋅⨯⨯⨯=πθδ

负载转动惯量

222687.8299.025.1)45.1101.1(414.0cm kg cm kg J F ⋅=⋅⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+++= 2）负载转矩计算及最大静转矩选择 根据能量守恒定律，电动机等效负载转矩

m N m N L F T i O P F ∙=∙⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=--2.125

.198.0953.02106752.14822103

03πηπη

若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩

)

5.0~3.0(F q T T = 取安全系数为0.3，则m N m N T q ⋅=⋅=43.0/2.1

因为数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时应满足快速空载起动时所需转矩T 的要求。

0m a x T T T T f a ++=

式中max a T —空载快速起动时所需的转矩（N )m ∙;

f T —克服摩擦所需转矩（m N ∙）;

O T ---丝杠预紧所引起的折算到电动机轴上的附加转矩（m N ∙）

。 当工作台快速移动时，电动机的转速

m i n /7.416min /625.12000max max r r L i v n o =⨯==

由动力学可知

T max a =J F ε

式中 ε----角加速度，计算公式为ε

=t

n 30π。 则 T max a = J F ε=8.687×104-×

025.0307.41614.3⨯⨯m N ∙=1.516m N ∙ f T =25

.198.0953.0210616.08002103

030/⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯--πηπηi L Wf i m N ∙=0.0175m N ∙ T o =25

.198.0953.0210625.4942103

0300⨯⨯⨯⨯⨯=⨯--πηπηi L F i m N ∙=0.406m N ∙ 式中 F 0----预加载荷, 一般为最大轴向载荷的1/3,即F p /3

则T= T max a +f T + T o =(1.516+0.0175+0.406) m N ∙

=1.940m N ∙

3)伺服电机的最高工作频率

01

.0606021000601000max ⨯⨯⨯==δνman f Hz=55.56Hz 根据计算综合考虑,查表选用Star 系列130ST-M06025H 型伺服电机。

（5）横向进给系统的设计计算 已知条件：工作台重量W=300N ，时间常数t=25ms,滚珠丝杠基本导程L 0=4mm （左旋），快速进给速度v max =1m/min 。由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，故计算过程略。

选择滚珠丝杠型号

CDM2004LH-2.5-P3;减速齿轮Z

1=18, Z

2

=30;伺服电机型号为110ST-M0403H.

结论

本课题结合目前国内外数控车床进给系统的研究现状和发展方向，具体阐述了一种桌面型数控车床的设计开发过程。本文主要完成的工作如下：

1、数控车床结构方案的确定。分析了数控车床的特点，确定了数控车床基本结构，并确定其基本尺寸。

2、确定了数控车床技术指标及参数。对该数控车床的各向切削力进行了计算。

3、选择了数控车床系统的控制系统。采用了东达电控的电控箱。

4、数控车床本体结构设计。对数控车床各大功能组件进行详细的模块化设计，确定零件结构，绘制零件图和装配图，并利用三维软件对数控车床进行了三维建模与运动仿真。

5、零件的刚度和寿命计算与校核。对各个已设计零件进行刚度和寿命计算，确保满足使用要求，使该数控车床有足够的可靠性。

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