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大學
畢 業(yè) 設 計（論 文）
題 目：C6132型臥式車床的數(shù)控化改造
總體設計及縱向進給設計
院 （系）：
專 業(yè)：
班 級：
學生姓名：
導師姓名： 職稱：
起止時間：
摘 要
本次設計是對普通車床C6132的數(shù)控化改造。在這里主要包括:主傳動系統(tǒng)的改造、縱向進給系統(tǒng)的改造、橫向進給系統(tǒng)的改造。而我主要是針對縱向進給系統(tǒng)進行機械改造。這次畢業(yè)設計對設計工作的基本技能的訓練，提高了分析和解決工程技術問題的能力，并為進行一般機械的設計創(chuàng)造了一定條件。
數(shù)控改造主要傳動系統(tǒng)的機械改造。由于對經濟型數(shù)控機床的加工精度要求不高，為簡化結構、降低成本。通過控制橫進給系統(tǒng)，保證改造后的車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停等功能。為實現(xiàn)機床所要求的傳動效率，采用步進電機經聯(lián)軸器再傳動絲杠；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。
關鍵詞：車床 數(shù)控改造 聯(lián)軸器 滾珠絲杠
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
目錄
一、前言 …………………………………………………………………… 1
二、設計任務 ………………………………………………………………1
三．總體方案的確定 ……………………………………………………1
四、機械傳動方案的分析與計算 ………………………………………1
（一）脈沖當量的確定 ………………………………………………………1
（二）切削力的計算 …………………………………………………………2
（三）縱傳動系統(tǒng)的分析與計算（Z軸方向） ……………………………2
1.滾珠絲杠螺母副的計算與選型（縱向） ……………………………… 2
2、減速箱的設計（縱向）………………………………………………… 4
3、步進電動機的計算與選型（縱向） …………………………………… 6
4、同步帶傳送功率的校核（縱向） ……………………………………… 9
（四）縱向傳動系統(tǒng)的分析與計算（X軸方向） ………………… 10
1、滾珠絲杠螺母副的計算與選型（橫向） ……………………………… 10
2、減速箱的設計（橫向） ……………………………………………… 12
3、步進電動機的計算與選型（橫向）…………………………………… 12
第一章 前言
數(shù)字控制機床（Numerical Control Machine Tools）簡稱數(shù)控機床，這是一種將數(shù)字計算機技術應用于機床的控制技術。它把機械加工過程中的各種控制信息用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置，經運算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機床的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。數(shù)控機床較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性、高效能的自動化機床，是典型的機電一體化產品。
數(shù)控機床一般由下列幾個部分組成：
1）主機，它是數(shù)控機床的主題，包括機床身、立柱、主軸、進給機構等機械部件，是用于完成各種切削加工的機械部件。
2）數(shù)控裝置，是數(shù)控機床的核心，相當于人的大腦，它包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機等）以及相應的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數(shù)據的變換、插補運算以及實現(xiàn)各種控制功能。
3）驅動裝置，它是數(shù)控機床執(zhí)行機構的驅動部件，包括主軸驅動系統(tǒng)、伺服驅動系統(tǒng)、主軸電機及伺服電機等。它在數(shù)控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)主軸和進給驅動。當幾個進給聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線以及曲面的加工。
4）輔助裝置，指數(shù)控機床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機床的運行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉臺和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。
5） 編程及其他附屬設備，可用來在機外進行零件的程序編制、存儲等。
與普通機床相比，數(shù)控機床有如下特點：
1）加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質量；
2）可進行多坐標的聯(lián)動，能加工形狀復雜的零件；
3）加工零件改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產準備時間；
4）機床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產率高（一般為普通機床的3-5倍）；
5）機床自動化程度高，可以減輕勞動強度；
6）對操作人員的素質要求較高，對維修人員的技術要求更高。
數(shù)控機床的優(yōu)點：
1） 數(shù)控機床能縮短生產準備時間，增加切屑加工時間的比率；
2） 使用數(shù)控機床進行生產，加工的零件精度高，產品質量穩(wěn)定,從而有效的提高了產品在市場上的競爭力；
3） 數(shù)控機床具有廣泛的適應性和較大的靈活性，因此能夠完成很多普通機床很難完成或者根本不能加工的、具有復雜型面、要求高精度的零件的加工；
4） 許多數(shù)控機床如加工中心具有自動換刀功能，使零件一次裝夾之后就能夠完成多個加工部位的加工，實現(xiàn)了一機多用，大大節(jié)省了設備和廠房面積；
5） 生產者可以對生產成本進行預算，并對生產進度進行合理的安排，以達到提高經濟效益的目的；
6） 應用數(shù)控機床進行生產，減輕了工人的勞動強度，提高了工人工作的環(huán)境質量，增加了工人的生產積極性，促進了生產，提高了生產效率。
隨著社會生產和科學技術的迅速發(fā)展，機械產品日趨精密復雜，且需頻繁改型，普通機床已不能適應這些要求，數(shù)控機床應運而生。這種新型機床具有適應性強、加工精度高、加工質量穩(wěn)定和生產效率高等優(yōu)點。它綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服驅動、精密測量和新型機械結構等多方面的技術成果，是今后機床控制的發(fā)展方向。
一、數(shù)控機床的產生
數(shù)控機床最早是從美國開始研制的。1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務時，提出了研制數(shù)控機床的初始設想。1949年，帕森斯公司與麻省理工學院伺服機構實驗室合作，開始從事數(shù)控機床的研制工作。并于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床實驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床。經過三年改進和自動編程研究，于1955年進入實用階段。一直到20世紀50年代末，由于價格和技術原因，品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了60年代，由于晶體管的應用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點位控制的機床。數(shù)控技術不僅在機床上得到實際應用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等，使數(shù)控技術不斷的擴展應用范圍。
二、數(shù)控機床的發(fā)展
自1952年，美國研制成功第一臺數(shù)控機床以來，隨著電子技術、計算機技術、自動控制和精密測量等相關技術的發(fā)展，數(shù)控機床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經歷了五個發(fā)展階段。
第一代數(shù)控：1952-1959年采用電子管元件構成的專用數(shù)控裝置。
第二代數(shù)控：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。
第三代數(shù)控：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。
第四代數(shù)控：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統(tǒng)。
第五代數(shù)控：從1974年開始采用微型電子計算機控制的系統(tǒng)。
目前，第五代微機數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，具有很強的程序存儲能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來實現(xiàn)的。這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強，幾乎只需改變軟件，就可以適應不同類型機床的控制要求，具有很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴大，光纜通信技術應用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。
近年來，微電子和計算機技術的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機械制造的各個領域中，先后出現(xiàn)了計算機直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)。所有這些高級的自動化生產系統(tǒng)均是以數(shù)控機床為基礎，它們代表著數(shù)控機床今后的發(fā)展趨勢。
機床數(shù)控化改造的意義
制造技術和自動化水平的高低已成為一個國家或地區(qū)經濟發(fā)展水平的重要標志，而其中最具代表性的就是數(shù)控機床。目前，我國是機床生產大國，但不是機床制造強國，國產機床的發(fā)展仍然難以支撐國民經濟和國防軍工的需要。與世界先進水平相比差距仍然十分明顯。因為一方面我國普通機床保有量大，要將普通機床淘汰掉是不經濟的，也是不現(xiàn)實的；另一方面，從我國目前生產狀況來看，仍然以生產普通機床為主。然而，用普通機床加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、精度低、成本高、供貨期長等缺點，從而使產品在國際、國內市場上缺乏競爭力，這將直接影響一個企業(yè)的生產效益以及生存和發(fā)展。所以大力提高機床的數(shù)控化率已迫在眉睫，有很大的意義，而且普通機床的數(shù)控化改造將會長期存在，并會不斷的發(fā)展。
機床數(shù)控改造的意義：
1）節(jié)省資金。 機床的數(shù)控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省60%左右的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3。即使將原機床的結構進行徹底改造升級也只需花費購買新機床60%的費用，并可以利用現(xiàn)有地基。
2）性能穩(wěn)定可靠。因原機床各基礎件經過長期時效，幾乎不會產生應力變形而影響精度。
3）提高生產效率。機床經數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機床提高 3至5倍。對復雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產準備周期。
4）可以采用最新的控制技術?？梢愿鶕夹g革新的發(fā)展速度及時地提高生產設備的自動化水平和效率，提高設備質量和檔次，將舊機床改造為具有當今水平的機床。
二、設計任務
題目：普通車床C6132數(shù)字控制改造
任務：將一臺C6132臥式車床改造成經濟型數(shù)控車床。主要技術指標如下：
（1）床身上最大加工直徑320mm；
（2）最大加工長度750mm；
（3）X方向（橫向）的脈沖當量δx=0.005mm/脈沖,Z方向（縱向）δz=0.01mm/脈沖；
（4）X方向最快移動速度ｖxmax=2500mm/min,Z方向為ｖzmax=5000mm/min；
（5）X方向最快工進速度v maxf=400mm/min,Z方向為v zmaxf=800mm/min;
（6）已知要求：背吃刀量，進給量f=0.2mm/r
（7）已知橫向移動部件重G=500N,縱向移動部件重為G=1000N.
（8）安裝螺紋編碼器，可以車削米/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導程為24mm；
（9）安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀；
（10）自動控制主軸的正轉、反轉與停止，并可輸出主軸有級變速與無級變速信號；
（11）自動控制冷卻泵的起/停；
（12）安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；
（13）縱、橫向安裝限位開關；
三、總體方案的確定
總體方案應考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇以及進給傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。
（1）臥式車床數(shù)控系統(tǒng)化改造后應具有單坐標定位，兩坐標直線插補、圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應設計成連續(xù)控制型。
（2）臥式車床經數(shù)控化改造后屬于經濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下，應簡化結構，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)常采用步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。
（3）根據技術指標中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經濟性要求，決定選用MCS—51系列的8為單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS—51系列8為機具有功能多、速度快、 抗干擾能力強、性/價比搞等優(yōu)點。
（4）根據系統(tǒng)的功能要求，需要擴展成雪存儲器、數(shù)據存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉換電路、串行接口電路等；還要選擇步進電動機的驅動電源以及主軸電動機的交流變頻器等。
（5）為了達到技術指標中的速度和精度要求，縱、橫向的進給傳動應選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙、提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應有預緊機構等。
（6）計算選擇步進電動機，為了圓整脈沖當量，可能需要減速輪副，且應有削間隙機構。
（7）選擇四工位自動回轉刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。
四、機械傳動方案的分析與計算
為了提高傳動效率和產品的加工精度，縱、橫向傳動全部用滾珠絲杠。由于本次改造的是經濟型數(shù)控機床，其結構簡單、價格便宜，調試、維護方便，一般用于精度不高的經濟型數(shù)控機床，并且本次改造的機床主要用于粗加工及半精加工。為降低改造成本，決定采用伺服半閉環(huán)控制方式對X軸（橫向）和Z軸（縱向）進給系統(tǒng)進行改造。采用伺服電機經齒輪減速再傳動給X軸和Z軸絲杠；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。
1、縱向進給系統(tǒng)的設計 經濟型數(shù)控車床的改造一般是伺服電動機減速驅動絲桿，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架左右移動。伺服電機的布置，可放在絲桿的任意一端，對車床的改造來說，外觀不必象產品設計要求的那么高，而從改造方便，實用方面考慮，一般都把步進電機放在縱向絲桿的右端。
2、縱向進給系統(tǒng)的設計計算 已知條件：
工作臺重量W=800N，加速時間常數(shù)t=25ms，滾珠絲杠基本導程L=6mm，快速進給速度V=2m/min。切削力計算由《機床設計手冊》可知，切削功率式中
Pc=NηK
P------電機功率，由條件我們選 P=4 KW
η----主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.75～0.85,取η=0.8;
K------進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為K=0.96
則： Pc =4×0.8×0.96=3.072kW
切削功率應按在各種加工情況下經常遇到的最大切削力(或轉距)和最大切削轉速(或轉速)來計算,即
Pc =×10
或
Pc=
式中 F---主主切削力(N);
ν----切削速度（m/min）
T----切削轉距(N.m)
n----主軸轉速(r/min)
設按最大切削速度來計算，取ν=100m/min，則主切削力
Fz==（N）=1843.2（N）
從《機床設計手冊》中可得知，在一般外圓車削時：
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)滾珠絲桿設計計算 滾珠絲杠副已經標準化，因此，滾珠絲杠副的設計歸為滾珠絲杠副型號的選擇。
1）計算作用在絲杠上的最大動負荷 ：首先根據切削力和運動部件的重量引起的進給抗力，計算出絲杠的軸向載荷，再根據要求的壽命值計算出絲杠副應能承受的最大動載荷。
式中 —工作負載(N)指數(shù)控機床工作時實際作用在滾珠絲桿上的軸向力;
—運轉系數(shù)，一般運轉系數(shù)取1.2~1.5，有沖擊的運轉取1.5~2.5；
—硬度系數(shù)，為60HRC時，為1；為<60HRC時，>1;
G —壽命(以轉為單位1，如1.5則為150萬轉)。
壽命G可按下式計算：
G=
式中 n—滾珠絲杠的轉速(r/min);
T—使用壽命時間(h),數(shù)控機床T取15000h。
工作負載的數(shù)值可用《機床設計手冊》中進給牽引力的實驗公式計算，對于三角形或綜合導軌
=k+(+W)
式中 、—切削分力；
W—移動部件的重力(800N)；
k—考慮顛覆力矩影響的系數(shù)，k=1.15；
—導軌上的因數(shù)，=0.15~0.18，取=0.16。
則 =[1.15×921.6+0.16(184302+800)]N=1482.752N
當機床以線速度v=100m/min,進給兩=0.3mm/r,車削直徑D=80mm的外圓時，絲杠的轉速
n=×=×r/min
則G==萬轉=17.91萬轉
根工作負載、壽命G，取=12，=1，計算出滾珠絲桿副承受的最大動負荷
==×1.2×1×1482.752N=4655.3N
由F查滾珠絲杠的產品樣本或《機床設計手冊》,選擇絲杠的型號.現(xiàn)在我們參照江蘇天安機械有限公司的滾珠絲杠的產品樣本,選擇滾珠絲杠的直徑為32mm，型號為CDM3206-2.5-P3，其額定動載荷是14022N，強度足夠用。
參數(shù)技術:
2）效率計算：根據機械原理，絲杠螺母副的傳動效率為
式中 —螺紋的螺旋升角，該絲杠為325
—摩擦角，約等于。
則==0.953
3)剛度驗算：滾珠絲杠工作時受軸向力和扭矩的作用，將引起基本導程L的變化，因滾珠絲杠扭時引起的導程變化量很小，可忽略不計，故工作負載引起的導程變化量L為
L=
式中 E—彈性模量，對于鋼，E=20.6×10N/c；
S—滾珠絲杠截面積（按絲杠螺紋底徑確定d，若d=2.77cm），則S==6.03c。
其中，“+”用于拉伸時，“－”用于壓縮時。
則L==
絲杠1m長度上導程變形總量誤差為
==11.78
因3級精度絲杠允許的螺距誤差為15，故此絲杠的精度足夠。
（3）確定齒輪傳動比 根據系統(tǒng)的脈沖當量，選步進電動機的步距角，則
取齒輪齒數(shù),齒輪模數(shù)m=2m m,齒輪傳動時效率
（4）佩服電機的選擇
1）負載傳動慣量估算 折算到伺服電機軸上的傳動慣量可按下式估算
式中 --折算到電動機軸上的轉動慣量（
齒輪的轉動慣量（）
齒輪的轉動慣量（）
絲杠的轉動慣量（）
估算參數(shù)。
對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉動慣量可按下式估算
式中 D—圓柱零件的直徑（cm）
L--_零件軸向長度（cm）
所以，
負載轉動慣量
2）負載轉矩計算及最大靜轉矩選擇 根據能量守恒定律，電動機等效負載轉矩
若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉矩
取安全系數(shù)為0.3，則
因為數(shù)控機床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機最大靜轉矩時應滿足快速空載起動時所需轉矩T的要求。
式中—空載快速起動時所需的轉矩（N;
—克服摩擦所需轉矩（）;
---絲杠預緊所引起的折算到電動機軸上的附加轉矩（）。
當工作臺快速移動時，電動機的轉速
由動力學可知
T=Jε
式中 ε----角加速度，計算公式為ε=。
則 T= Jε=8.687×10×=1.516
==0.0175
T==0.406
式中 F----預加載荷, 一般為最大軸向載荷的1/3,即F/3
則T= T++ T=(1.516+0.0175+0.406)
=1.940
3)伺服電機的最高工作頻率
Hz=55.56Hz
根據計算綜合考慮,查表選用Star系列130ST-M06025H型伺服電機。
（5）橫向進給系統(tǒng)的設計計算 已知條件：工作臺重量W=300N，時間常數(shù)t=25ms,滾珠絲杠基本導程L=4mm（左旋），快速進給速度=1m/min。由于橫向進給系統(tǒng)的設計計算與縱向類似，故計算過程略。
選擇滾珠絲杠型號CDM2004LH-2.5-P3;減速齒輪Z=18, Z=30;伺服電機型號為110ST-M0403H.
結 論
本課題結合目前國內外數(shù)控車床進給系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種桌面型數(shù)控車床的設計開發(fā)過程。本文主要完成的工作如下：
1、數(shù)控車床結構方案的確定。分析了數(shù)控車床的特點，確定了數(shù)控車床基本結構，并確定其基本尺寸。
2、確定了數(shù)控車床技術指標及參數(shù)。對該數(shù)控車床的各向切削力進行了計算。
3、選擇了數(shù)控車床系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。采用了東達電控的電控箱。
4、數(shù)控車床本體結構設計。對數(shù)控車床各大功能組件進行詳細的模塊化設計，確定零件結構，繪制零件圖和裝配圖，并利用三維軟件對數(shù)控車床進行了三維建模與運動仿真。
5、零件的剛度和壽命計算與校核。對各個已設計零件進行剛度和壽命計算，確保滿足使用要求，使該數(shù)控車床有足夠的可靠性。
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致 謝
本文是在尊敬的導師XXX老師的悉心指導下完成的。
老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的學識、敏銳的思維、認真的學術作風和平易近人的生活作風，使我在學習中獲益匪淺，對我以后的學習、工作和生活都有了很好的指引；趙老師在本課題的設計研究、理論分析及論文組織等許多方面所給了殷切地指導和莫大的幫助，這將使我受益終生。趙老師也對我畢業(yè)設計的許多細節(jié)方面給予了耐心的指導和幫助，這是不可或缺的，趙老師的隨和，認真深深地印在我的心里。我在學習和畢業(yè)設計中的每一點進步，無不凝聚著導師的心血。
值此論文完成之際，謹向老師致以崇高的敬意和誠摯的感謝！
再次向所有幫助我的老師、同學和朋友致以衷心的感謝！
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