湖南農業大學東方科技學院全 日 制 普 通 本 科 生 畢 業 論 文 普通機床的數控化改造設計The general transformation of CNC machine tools design畢業設計（論文）原創性聲明和使用授權說明原創性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業設計（論文） ，是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日 期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業設計（論文）的規定，即：按照學校要求提交畢業設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內容。作者簽名： 日 期： 湖南農業大學全日制普通本科生畢業論文（設計）誠 信 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業論文（設計）是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。除文中已經注明引用的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。畢業論文（設計）作者簽名：年 月 日目 錄1 前言 .62 設計的內容及任務 .73 總體方案 .73.1 數控系統的選型 .73.2 伺服系統的改造設計 .83.3 機械結構的改造設計 .83.4 自動回轉刀架的選擇設計 .93.5 編碼盤的選用和安裝 .93.6 電氣控制系統的改造設計 .103.7 液壓系統的清潔和維護 .104 數控系統的選擇 .105 機械本體部分的數控化改造與設計計算 .125.1 進給系統的傳動方式及絲桿類型選擇 .125.1.1 傳動方式 .125.1.2 滾珠絲桿的選擇 .135.2 滾珠絲杠副精度等級確定 .145.3 滾珠絲杠的潤滑、防護、密封 .145.4 機械本體改造和設計計算 .145.4.1 縱向機械傳動部分的數控化改造和設計計算 .145.4.2 滾珠絲杠設計計算 .155.4.3 滾珠絲杠的選型 .165.4.5 滾珠絲杠的驗算 .175.4.6 確定齒輪傳動比 .185.4.7 橫向機械傳動部分的數控化改造和設計計算 .185.4.8 切削力的計算 .195.4.9 齒輪間隙的調整環節 .195.5 滾珠絲杠的支撐與軸承選用 .205.5.1 滾珠絲杠支撐形式的選擇 .205.5.2 滾珠絲杠軸端的形式 .206 伺服系統的改造設計 .236.1 控制系統的選擇 .236.2 縱向步進電機的計算與選擇 .236.2.1 負載轉動慣量計算 .246.2.2 各種工況下轉矩計算 .246.2.3 步進電機的選擇 .256.3 橫向步進電動機的計算與選擇 .266.4 驅動器的選擇 .277 自動轉為刀架 .287.1 數控車床刀架的基本要求 .297.2 車床自動轉位刀架結構及工作原理 .297.3 刀架的安裝 .308 編碼器的選用和安裝 .308.1 觀點編碼器的選用 .318.2 編碼器的安裝 .319 電氣控制部分的改造設計 .329.1 電氣控制系統概述 .329.2 C6132 車床電氣化控制系統的數控化改造設計 .3310 液壓系統的清潔與維護 .3410.1 清潔程度對液壓系統的影響 .3410.2 液壓系統清潔與維護措施 .3511 改造小結 .35參考文獻 .36致 謝 .36C6132 臥式車床的數控化改造學 生：吳江平指導老師：董 亮（湖南農業大學東方科技學院，長沙 410128）摘 要： 以 C6132 型普通機床為例，從機械和電氣方面詳細闡述了數控化改造的方法。改造后的車床投入使用后運行穩定，加工精度明顯提高，取得了極大的經濟效益。關鍵詞： 普通車床; 數控化改造；C6132 horizontal lathe to numerical control reformStudent:Wu Jiang PingTutor:Dong Liang(Hunan Agricultural University east scienceand technology academy,Changsha 410128)Abstract : to C6132 ordinary machine type as an example, the mechanical and electrical is expounded in the reconstruction of numerical control method. After the transformation of the lathe of after put into use operation is stable, and the processing precision improved obviously, made great economic benefits. Key word :ordinary lathe; Numerical control modification; 1 前言目前我國機床主要是臥式車床，與發達國家相比，型號陳舊，技術水平落后，嚴重影響了生產的發展。 。采用先進的數控車床，已成為當今世界制造業的發展趨勢。鑒于國內制造業中普通機床的占有率較高，提高車床數控化率有兩個可行的途徑，一是購置新的車床；二是把臥式車床改造成數控車床。根據國內目前的經濟狀況，花大量的資金更換全新的數控車床花費過高，給企業造成的經濟負擔較大，同時報廢大量的普通機床是一個很大的浪費。因此，各企業可根據自身的情況，酌情進行數控化率的提高，可以購置一批精度高、性能強的數控化車床，或數控化改造一批尚有一定精度的臥式車床。C6132車床改造屬于經濟型數控車床的改造，主要針對進給系統進行數控化改造，利用數控系統對縱向和橫向進給系統進行開環控制，驅動元件采用步進電動機，通過步進電動機帶動滾珠絲桿轉動。數控化改造后的機床，能對縱向和橫向進給運動進行數字控制，并要求達到縱向最小運動單位為0.01mm/ 脈沖，橫向最小運動單位0.005mm/脈沖，刀架為自動轉位刀架，經改裝后的機床能實現加工外圓、錐度螺紋、端面等的自動控制。數控化改造提高了原機床的生產速度，降低了勞動強度，同時縮短了生產周期，提高了產品質量和生產率。數控化改造后具有如下幾個優越性：1、數控化改造提高了加工精度和生產率。2、數控化改造提高了機床的性能和質量，加工出原機床難以加工或者不能加工的復雜軸類零件。3、機床數控化改造后可以實現加工的柔性自動化，效率可比原機床提高3倍。4、機床數控化改造后擁有自動報警、自動監控、自動補償等多種自檢功能，更好地調節了機床加工狀態，還可以提示操作機床故障或編程錯誤等機床運行中出現的問題。2 設計的內容及任務機床的數控化改造主要應用了現代成熟的數控技術和經驗，以適應生產的具體要求為目的，改變現有機床的結構，給舊機床換上新部件、新裝置和新附件，提高現有機床的技術性指標，使之全部或局部達到新數控機床的水平。這次設計的任務是：數控化系統的選型，伺服系統、機械傳動系統、電氣系統數控化改造和液壓部分的維護以及繪制相關圖樣。要求改造車床具有一般數控車床的性能，精度要達到縱向最小單位為 0.01mm/步，橫向最小運動單位為 0.005mm/步。設計內容包括：數控系統的選型，伺服系統、機械系統和電氣系統的數控化改造設計，自動回轉刀架和編碼盤的選型與改裝，以及液壓系統的清潔與維護。數控系統方面，考慮到直流伺服電動機的價格昂貴，采用步進電動機驅動的開環控制系統，而在機械系統的改造方面，采用步進電動機-減速齒輪- 滾珠絲杠螺母副- 小滑板的傳動方式。3 總體方案臥式車床進行數控化改造，可以顯著提高機床性能和減輕操作者勞動強度。而合理選擇數控系統和改造方案，可保證改造效果和降低成本。考慮具體的改造方案時，基本原則是在滿足使用要求的前提下，對機床的改動盡可能少，以降低成本。C6132車床總體改造方案為：增配車床數控系統，更換進給運動的滑動絲桿傳動為滾珠絲桿傳動，采用步進電動機驅動進給運動，加裝編碼器，配置自動回轉刀架實現自動換刀。具體的改造主要從數控系統的選擇、伺服系統的改造設計，機械結構的改造設計、自動回轉刀架的選擇設計、編碼盤的選用和安裝、電氣系統的改造設計、液壓系統的清潔與維護等幾個方面來進行，通過改造使其具有數控機床的一般特性。下面就從各個部分來具體闡述這次的設計方案。3.1 數控系統的選型在選擇數控系統的型號時，要考慮 C6132 機床適用于各類機械工廠的單件、中小批量、生產使用，加工精度可達 IT7 級，且要求 C6132 車床加工復雜零件，所以數控系統選擇連續型數控系統，已滿足數控化改造后機床的定位、插補、循環加工和螺紋加工等功能。國產機床如廣州數控設備廠的 GSK980TA 數控系統，其為兩軸聯動，功能比較齊全，性能穩定，價格便宜，一般用于經濟型的數控機床。選擇數控系統時應該盡量向同一個廠家的型號靠攏，這樣既有利于維修和管理，也有利于備件的購買。在改造中可以考慮有類似特點的數控裝置。3.2 伺服系統的改造設計在普通機床的數控化改造系統中一般采用步進電機和交流伺服交流電動機。交流伺服電動機調速方便，體積小，目前廣泛用于數控機床的傳動系統。與步進電動機相比，其精度高、價格昂貴，考慮到改造本身是經濟型改造，因此一般選用步進電機作為驅動裝置。步進電機采用脈沖數字信號進行改造，每轉一轉步距誤差自動變為零，能方便地實現調速以及定位，改變各相繞組的接通次序即可實現正反轉，易于控制，且價格低廉，數控車床上大多使用反應式步進電機。在需要快速移動大距離的條件下，應選擇轉動慣量小、運行頻率高、價格較低的反應式步進電機。經全面考慮，在 C6132 的數控化改造中，選用反應式步進電機作為縱向和橫向的進給驅動。理由是：該系統控制方便，由數控系統送出的步進指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，是步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠服驅動執行部件。只要控制指令脈沖的數量、頻率以及通電順序，便可以控制執行部件運動的位移量、速度和運動方向。該系統結果簡單，易維修，性價比高；考慮改造后的 C6132 機床的精度要求（數控化改造后縱向精度為 0.01mm/不，橫向精度為 0.005mm/步） ，加工精度要求不算太高，為簡化結構、降低成本，故選擇步進電機驅動的開環控制系統。3.3 機械結構的改造設計在機械結構的改造設計中，主要針對原車床的進給系統進行數控化改造，主傳動系統中保留 C6132 車床的主軸機械部分和三相交流電動機 YD132M-4B5TH，只是在與主軸同步旋轉的軸上，加裝一個脈沖編碼器，實現螺紋的數控加工。在進給傳動系統中，數控系統對縱向、橫向進給系統進行開環控制，驅動元件采用步進電機。進給傳動機構如圖 1-1 所示，縱向和橫向均采用步進電動機-減速齒輪-滾珠絲杠螺母副-床鞍（或中滑板）的傳動方式。分別在 X 軸和 Z 軸的步進電機輸出軸端配置減速器，減速器由一對嚙合齒輪組成，通過減速器齒輪傳動，由滾珠絲杠副把動力傳給床鞍，從而帶動托板的移動。為實現機床所需的分辨率，采用步進電機經齒輪減速再傳動絲桿，同時為保證一定的傳動精度和平穩性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。改裝時先拆除原機床的進給箱、溜板箱、光桿和絲桿，再換上滾珠絲杠（安裝在原絲桿的部位） 。在本設計中滾珠采用循環插管式、雙螺母墊片預緊、導珠管埋入式、精度等級為 3 級，型號為 JCS-CDM 系列滾珠絲桿副。此外，為提高傳動剛度和消除間隙，齒輪傳動要采用消除齒側間隙的結構。圖 1-1 進給傳動機構1步進電機 2齒輪減速裝置 3支承裝置4絲杠 5床鞍 A、B 齒輪3.4 自動回轉刀架的選擇設計自動換刀裝置因數控機床的形式、工藝范圍和刀具的種類與數量的不同而具有不同的形式。目前常用的有自動回轉刀架和帶刀庫的自動換刀裝置。自動回轉刀架也稱為轉塔式刀架，它是數控機床上最常用的，也是最簡單的一種自動換刀裝置，通過回轉頭的旋轉分度定位來實現車床的自動換刀動作 。自動回轉刀架是由數控系統控制，效率高，工藝性能可靠。根據所加工零件的工藝要求及機床控制方式，在本改造中，采用四方自動回轉刀架。在 C6132 車床數控改造中，將原機床的普通手動回轉刀架替換成自動回轉刀架，拆除原刀架和小滑板，換上由常州宏達機床數控設備廠生產的 LD4CK6132 四工位自動回轉刀架。3.5 編碼盤的選用和安裝機床能否進行螺紋加工是主軸部分數控化改造的重要部分，所以在原來車床上需加一個脈沖編碼器，才能實現自動加工螺紋的目的。在經濟型數控車床上加工螺紋或絲桿時，需要配置主軸脈沖發生器，即編碼盤作為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同