普通车床的数控化改造设计

普通车床的数控化改造设计

1.设计目的

数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题——数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。

2.设计要求

课程设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设计可以初步树立正确的设计思想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、规范等资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并在教师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。课程设计的内容是改造设备，实现以下几部分内容的设计训练。如精密执行机的内容应包括：课程设计题目总体方案的确定、系统框图的分析、电气执行元件的选用说明、机械传动设计计算以及机械和电气及其他部分（如环形分配器等）的说明。

该课程设计的内容及方法，可以归纳如下：

1)采用微型计算机（包括单片机）进行数据处理、采集和控制。

主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制等。

2)选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑计算机的

选择或单片机构成电路的选用，考虑电机选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。

3)精密执行机构的设计。主要是考虑数控机床工作台传动装置的

设计问题：要弄清机构或机械执行元件的主要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等），进行力矩、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。4)学会使用手册及图表资料，计算机I/O接口设计和驱动电路以

及数控化电气原理设计等。

二.总体方案设计

1.系统运动方式：

普通车床数控化改造应具有定位。快速进给，直线插补，圆弧插补，暂停，循环加工和螺纹加工等功能。因此，普通车床数控化改造所选用的数控化系统应为连续控制系统。如：德国西门子公司的SIEMNS8025型系统。华中数控的“世纪星”21/22型系统。

2.伺服系统的确定：

普通车床数控化改造后一般为经济型数控机床，在保证具有一定加工精度的前提下，从改造的成本考虑，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统采用以步进电动机为驱动装置的开环系统为宜。

3.功能部件的选择：

主要是滚珠丝杠及其支承方式的选择，电动回转刀架的选择等。

4.结构设计与电气设计：

这主要是纵向进给传动系统，横向进给传动系统的设计和机床导轨的维护。一般采用贴塑导轨以减小摩擦力，机床电气设计包括机床原理图设计和PLC梯形图设计。

三.设计参数

1.最大加工直径：320mm

2.最大加工长度：700mm

3.行程：纵向700mm，横向200mm

4.刀架快速进给速度：纵向2400mm/min，横向1200mm/min

5.最大进给速度：纵向800mm/min，横向400mm/min

6.溜板及刀架重力：纵向800N，横向500N

7.主电动机功率：4.5kw

8.定位精度：0.02mm/全行程

9.程序输入方式：增量值，绝对值通用

10.控制座标数：2

11.脉冲当量：纵向0.01mm/脉冲，横向0.005mm/脉冲

四.实施方案

进给系统数控化改造的主要部位有：挂轮架，进给箱，溜板箱，溜板，刀架。

1.挂轮架系统：

全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲编码器。

2.进给箱部分:

全部拆除，在该处安装纵向进给步进电动机与齿轮减速箱总成。丝杠，光杆和操纵杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部位。

3.溜板箱部分：

全部拆除，在原处安装滚珠丝杠螺母座。丝杠螺母固定在其上，在该处还可以安装部分操作按钮。

4.横溜板部分：

将原横溜板中的滚珠丝杠，螺母拆除。在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副，横向进给步进电动机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后

部并与滚珠丝杠相连。

5.刀架部分：

拆除原刀架，在该处安装自动回转四方刀架总成。

五.横向进给传动链的设计计算

1.主切削力及其切削分力计算

（1）计算主切削力Fz

已知：主电动机功率Pm为4. 5kw，最大工作直径D=320mm。

主轴计算转速：n=85r/min，在此转速下，主轴具有最大扭矩

和功率。

取机床的机械效率η=0.8，则主切削力

（2）计算各切削分力

由公式Fz:Fx:Fy=1：0.25：0.4，得：走到方向切削分力Fx和垂直方向切削分力Fy分别为：Fx=0.25Fz=633.8N，Fy=0.4Fz=1014.08N。

2.导轨摩擦力计算

①由公式：Fμ=μ（W+fg+Fv+Fc）N，计算在切削状态下导轨摩擦力Fμ。此时导轨受到的垂向切削分力Fv=Fz=2535.21N，横向切削分力为Fc=Fx=633.8N。移动部件的全部重力为W=500N，查表由差值法，得：fg=1500N。取导轨动摩擦系数μ=0.15，则Fμ=μ（W+fg+Fv+Fc）=0.15×(500+1500+2535.21+633.8)=775.35N。

②由公式：Fμ

0=μ（W+fg）N，计算在不切削状态下的导轨摩擦力Fμ

和F

0，则：Fμ

=μ（W+fg）=0.15×（500+1500）=300N，F

=μ

（W+fg）