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1、韶 关 学 院毕 业 设 计毕业设计题目：普通机床的数控改造横向进给机构的设计学生姓名：学 号：院（系）：信息工程学院机电系专 业：机械设计制造及其自动化班 级：2004级本科（2）班 指导教师姓名及职称： 起止时间: 2007 年11 月 2008年5 月 普通机床的数控改造横向进给机构的设计摘要: 针对车床进给结构, 计算负载转矩和转动惯量, 根据计算结果分析各结构特点, 确定横向进给机构的改造方案, 采用步进电机经减速机构与滚珠丝杠相联结构, 噪声低, 可靠性高。关键词: 车床; 数控改造; 横向进给机构The transformation of general machine tool
2、s NCthe design of horizontal feed institutionsAbstract:Feed for lathe structure, calculated load torque and moment of inertia, according to the results of the analysis of structural features, to identify cross-cutting into the transformation programme, adopted by the stepper motor slowdown agencies
3、and the ball screw associated structures, low noise, reliable High.Keywords: Lathe; NC transformation; Horizontal feed bodies 目 录 1.前言（1）1.1 国内外数控机床的发展状况（1）1.2 国内外数控机床改造的状况（2）1.3 机床数控化改造的优点（3）1.4 机床数控化改造的必要性和可能性（4）1.5 课题研究背景和目标（5）2.普通车床数控化改造的可行性分析（6）2.1 机床简介（6）2.1.1 原机床功能（6）2.1.2 原机床传动系统（6）2.2 CA614
4、0普通车床数控化改造的可行性论证（6）2.2.1 技术可行性论证（6）2.2.2 经济合理性论证（8）3.进给(横向)机构改造方案（10）3.1 车床数控改造方案（10）3.2 设计任务（11）3.3 进给机构方案（11）3.3.1进给箱（11）3.3.2导轨副（12）3.3.3 滚珠珠丝杠副（12）4.进给（横向）机构的设计计算（15）4.1 切削力计算（15）4.2 滚珠珠丝杠设计计算 （16）4.2.1 计算作用在丝杠上最大动负荷FQ （16）4.2.2 效率计算（17）4.2.3 刚度验算（18）4.3 确定齿轮传动比（18）4.4 步进电机的选择（19）4.4.1 负载转动惯量估算（
5、19） 4.4.2 负载转矩计算及最大静转矩选择（20） 4.4.3 步进电机的最高工作频率（21）总结（22）致谢（23）参考文献（24）普通车床的数控改造横向进给机构的设计机械设计制造及其自动化04级(2)班 指导老师: 1.前言1.1国内外数控机床的发展状况 1946年世界上第一台计算机在美国诞生，1952 年世界上第一台数控机床也在美国诞生，用于三轴撞铣床的加工，自此，数控机床的发展紧随着微电子技术和计算机技术的发展而发展，近50年来，其数控系统经历了两个阶段，六个时代的发展历程。即第一阶段叫逻辑数字控制(NC)阶段，其经历了电子管、晶体管和小规模集成电路三个时代;第二阶段叫计算机数字
6、逻辑控制(CNC) 阶段，其经历了小型计算机、微处理器和PC机三个时代阴。目前，世界上数控机床每隔2-3年就发展一代，日本、美国、德国、西班牙等国家在数控机床的研制、开发方面走在世界前列，其中德国SIEMENS系列、日本FANUC系列、西班牙FAGOR系列、美国CINCINATI系列、法国NUM系列，以其高的可靠性和卓越的性能在世界各地赢得用户的青睐。进入八十年代以来，市场竟争激烈，产品更新换代极为迅速，规模生产效益显著，而且随着航空工业、汽车工业以及轻工业生产的高速增长，复杂型面零件越来越多，精度要求也越来越高，这就迫切要求加工这些零件的母机一机床向高度柔性的数控机床方向发展，其在加工设备中
7、所占比例越来越高，其拥有量是衡量一个国家工业水平的标准。因此，世界其他各国也都在大力开发机械制造自动化技术。据统计，美国通用电器公司数控机床占70%。从1982年起，日本机床产值数控化率超过80%，且主要生产高档数控机床。 从1958年开始数控机床的研制，其主要工作是剖析国外数控机床。70 年代中期，由于电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使国产数控机床的稳定性、可靠性问题未从根本上得到解决。另外，售价也较贵，未能及时推广。我国数控机床从八十年代重新开始起步发展，到1993年产量已增长1828倍，产值数控化率从1% 以下增长到12%。数控机床生产逐渐形成批量，开始出现了一批以北京机床研究所为龙
8、头的机床厂。主要生产BF7、BF3、MTC一1、DYNAPTH10等数控系统，后来又组建了许多经济型数控系统的生产厂家，如:武汉华中数控有限公司、南京大方股份有限公司、常州宝马集团、西安微电子研究所等。数控机床一方面向大型、多功能方向发展;一方面向经济型方向发展。所谓经济型数控机床就是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有数控系统的高效自动化机床。由此可见，我国在作为机械制造自动化的数控机床设备，无论是在品种上、质量上，还是在使用上，同世界先进水平比均有很大差距，这也是制约我国机械工业发展的重要因素。1.2国内外数控机床改造的状况数控机床的逐渐普及，数控系统的价格不断降低，使得旧机床进行
9、数控化改造的优点更明显，促使越来越多的机械加工厂选择旧机床数控化改造作为设备更新的途径。世界各国，包括许多工业发达的国家相继成立了机床修复公司、翻新公司或改造公司，承担旧机床数控改造的任务，并成功地改造了一些大型和重型机床。德国的schies公司在1981年把一台加工直径为19m 的超重型立式车床改装成数控机床。该机床是1929 年生产的，当时曾是世界上最大的机床，其改造内容有:工作台导轨改装为静压导轨，承载能力增加了50%:主传动采用半导体可控硅控制，取代老式机组的传动;刀架的滑动导轨改为滚动导轨;增加测量显示装置，配置数控系统等。该机床的全部改造费用仅为当时同类规格新机床价格120万马克的
10、28.9%，其中大修费用占7.9%，数控改造费用占20名%。该公司还改造了一台最大加工直径为14m 的超重型立式车床，全部改造费用为当时同类规格新机床价格800万马克的19.1%。香港理工大学的工业中心是国际上现代培训公认的楷模，它的数控化机床占机床总数72%，其中就约有10%的数控化机床便是旧机床改造而来的，从设备运行情况来看，改造后的设各取得令人满意的效果。我国常柴股份公司曾改造一台仿形铣床，改造费用40 万，节约投资近250万元，用其加工N485柴油机铸造用模具，每套外协加工费用270万元，不到三个月时间，此台仿形铣床完成了两套N485模具和20套空调模具的加工。根据常柴股份公司对已完成
11、数控化改造的1台加工中心和1台仿形铣床投入运行后统计，新增产值达到300多万元，取得了良好的经济效益。我国从八十年代初期开始进行机床数控化改造技术研究和推广，到现在已有二十多年的历史。这中间取得了不少经验，但失败的教训也不少。由于机床数控化改造工艺的不完善，使得改造目前大都局限在中、小型车、铣床的数控化改造上，这和工业发达国家的水平尚有很大差距，因此，笔者对具体机床数控化改造工艺方案研究为例，提出了对机床数控化改造工艺的研究模式。1.3 机床数控化改造的优点采用国内外先进工艺、先进技术对旧机床进行改造有以下优点:（1）机床改造针对性强，容易适宜生产的要求。因为机床的改造方案是根据原机床中存在的
12、问题提出的，需要改哪些地方，改到什么程度都有的放矢，能与生产紧密结合，可以直接将科学技术转化为生产力，使企业有积极性。（2）机床改造可以充分利用原机床的绝大部分，大大节约原材料和资金， 同时见效快，改造周期短，可满足生产急需。因为旧机床数控化改造大部分床身、立柱等主要基础件和许多传动部分不需更换，与新机床制造格比只需其1/10-1/15 的时间，工期大大缩短，从而节约了成本，解决了生产急需。（3）改造后的机床性能稳定可靠，机床应用范围得到扩大，适应多品种、小批量的零件生产。这是因为机床的大型结构件一般是铸铁制成的，而铸铁件年代越久则时效越充分，精度比新铸件更加稳定。改造不需要改变支撑类大型构件
13、，只需修复或更换若干中小型部件就可获得与新机床类似效果。改造后的机床功能有较好的提高，除了保留原有功能外，还可以满足各种复杂型面类零件加工，极大地扩大了机床的应用范围。（4）经过数控化改造，可以有效提高工件加工精度和生产效率。因为改造时可根据生产技术的发展要求，及时提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次。如某单位3.4m的立式车床改造后，加工球体轴承座零件，其2m直径偏差仅为0.035mm ，满足了设计要求，并且机床改造后的工作效率提高了5一6倍。（5）可以充分发挥企业现有技术力量的作用，调动技术人员的积极性;同时降低对工人技术水平的要求。（6）通过数控化改造，可以掌握设备的构造和
14、性能，为工科院校培养了数控技术人才，为学生更好地服务。在改造期间，工科院校通过拆解旧机床，装配新部件等改造过程，间接培养了数控人才，对机床的特性有了较详细的了解，在操作使用和维护方面培训时间短、见效快。1.4 机床数控化改造的必要性和可能性数控机床在现代机械加工中起着举足轻重的作用，机床数控化率己成为衡量一个国家工业水平的重要标志。提高机床数控化率有两个途径;一是购买新的数控机床，即更新设备;二是改造旧机床，配置数控系统，把旧机床改造成数控机床。所谓机床的数控化改造是指应用现代的数控成熟技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，改变现有机床的结构，给旧机床换上新部件、新装置、新附件，提高现有机床
15、的技术性指标，使之全部或局部达到新数控机床的水平。机床数控化改造主要内容有以下几点:其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复;其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度，对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。我国现有机床大约四百多万台，其中40% 以上是车床，多数机床役龄都
16、很长，尤其是大型和重型机床的役龄更长，这些机床结构一般陈旧，操作部分复杂，测量系统，控制系统落后。把这些性能落后、生产率低的机床全部闲置或淘汰，用新的机床去取代是不现实的。重型机床，特别是现代化的数控机床价格都非常昂贵，我国是一个发展中国家，国家财力薄弱、资金短缺，不可能花大量的资金添置新的数控机床，把旧机床改造成经济型数控机床的意义就更加明显了。 对普通机床和旧机床进行数控化改造是可行的。首先国家政策是支持的，我国经济增长方式正在由粗放型向集约型转变，集约型经济增长方式就是以经济效益为中心，主要依靠科技进步和提高劳动者素质，重点放在现有企业的挖潜改造、充实和提高上，也就是运用高新技术对老设备
17、进行改造，以大幅度提高产品质量，降低成本，达到提高经济效益的目的:二是技术上的保障，近年来，微电子技术的发展、电子计算机的应用、传感技术、粘结技术等新工艺、新产品出现都为机床数控化改造提供了充足的后备力量;三是在经济方面，机床数控化改造针对性强、投资少、资金利用率高，许多基础部件仍可利用，可以缩短改造周期并降低生产成本。另外筹集资金相对容易一些。购买一台新的数控机床一般需几十到几百万元，改造一台只需几万到十几万元即可，资金回收快。1.5 课题研究背景和目标加入世贸组织后，中国正在逐步成为“世界制造中心”。制造设备的大规模数控化，使企业急需一大批数控编程、数控设备操作及其维修、CAD/CAM应用
18、人员。然而，目前掌握数控技术的机电复合人才奇缺，“月薪6000元难聘数控技工”、“年薪16万招不到模具技工”成为全社会普遍关注的热点问题。数控人才奇缺已引起中央领导、教育部、劳动保障部等政府部门高度重视。为社会培养急需的数控人才，是各高校、高职、中职、技校义不容辞的责任!据机械主管部门统计，工科院校用于实践教学的机床约有1万台，但数控化率不到4%。绝大多数是传统机床，且半数役龄在10年以上135。随着学生人数的增加，新科目的普及，高科技的实验、实习因条件差而不能达到要求。加之目前工科院校机床设备投入资金都十分有限，为此我们必须推广投入少，收效大的旧机床数控化改造。以最小的投资盘活庞大的存量资产
19、，以促进工科院校的实践教学。我国机床数控化改造起步较晚，对其工艺深入研究还不够，虽然有成功的经验，但也走了不少弯路，其原因大概有以下几个方面。（1）改造以前没有可行性分析或只定性分析；（2）所设计的数控系统或选择系统性能不稳定；（3）机床的关键部件选择不合理；（4）接口电路设计不合理。随着电子技术的高速发展，许多专门为工业环境下使用的电子元器件大量涌现，它们的性能价格比越来越高，在改造中自己设计制造单片机，单板机扩展系统存在许多弊端，如:不易实行规范化设计，安装、调试、维护的工作量大，系统不稳定等，因此，逐渐被性能价格比高的批量生产的数控系统和可编程控制器等所取代。这样，对这些系统如何选型越来
20、越引起人们的关注。CA6140 普通车床数控化改造。本课题主要任务是:针对原机床特点，利用数控系统控制车床运动，提高车床的加工精度和自动化水平。改造设计遵循的原则是在满足学生实习需要的前提下，对原车床尽可能减少改动量，以降低改造成本。同时，笔者认为，造成我国目前机床数控化改造进展相对缓慢的原因是机床数控化改造知识没有很好地推广和普及。许多改造专家的宝贵经验只能局限在局部。2 普通车床数控化改造的可行性分析2.1 机床简介2.1.1 原机床功能CA614O旧车床是沈阳第一机床厂于1995年5月出厂的一台普通卧式车床，它的万能性较大，适用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面，如车削内外圆柱
21、面、圆锥面、环槽及成形回转表面;车削端面及各种常用螺纹;在其上还能作钻孔、扩孔、铰孔、滚花等工作。2.1.2 原机床传动系统原机床的传动系统主要由两大部分组成.一是主运动传动链，它的功能是把动力源(电动机)的运动及动力传给主轴，使主轴带动工件旋转实现主运动，并满足卧式车床主轴变速和换向的要求。二是进给运动传动链，它用来实现刀架的纵向和横向移动及车螺纹运动，运动及动力是由电动机经主轴箱、主轴、进给运动传动链、溜板传至刀架。2.2 CA6140普通车床数控化改造的可行性论证机床改造的基本原则是:把技术可行性和经济合理性有机的结合起来。所谓机床数控化改造的可行性论证就是指从技术和经济两个方面对机床数
22、控化改造进行论证，判断进行数控化改造是否合理，改造方案是否最佳。技术可行性的指标之一是技术实用性;经济合理性就是以最少的投资获取最大的效益。2.2.1 技术可行性论证;机床改造的技术可行性论证就是对机床改造在技术上是否能够保障改造成功以及从改造后维护角度论证。具体的应从机床本身、加工对象、技术性和市场可供性等四方面分析:一机床本身分析能否进行机床数控化改造主要取决于机床本身的条件，如:机床磨损程度、刚度等以及机床的技术寿命。（1）机床磨损程度、刚度CA614O是1995年5月出厂，主要用来学生实习，没有批量生产过产品，机床本身机械部分磨损很小，导轨和齿轮等的磨损也不大，根据改造前对原机床精度检
23、测，可见原机床综合精度比较高。本机床折合使用年限小于5年，机床几何精度仍等于原新机床的精度，所以原机床从磨损程度上看能够保证。普通机床结构上有先天性不足，刚度低、抗振性差、滑动摩擦阻力较大及传动元件存在间隙等。在后面改造中将有目的改造其中部分结构，以满足数控机床最基本的要求。（2）技术寿命的计算机床的技术寿命是指从机床开始使用到因技术落后而被淘汰所经历的时间。随电子技术和计算机技术的发展，加速了机电产品的更新换代，原机床结构复杂而且自动化程度低，所以只适用于单件、小批量生产及修配车间。现在数控机床以其高自动化、高精度化、高速化及高复合化的发展趋势，数控化率逐年提高，大有取代普通机床的趋势，而且
24、数控机床的数控装置(CNC)技术寿命一般为2一3年，数控技术发展迅猛。故为了改善原机床性能满足教学和加工要求，对原机床进行数控化改造，同时也延长了原机床的技术寿命。（3）加工对象分析机床的加工对象分析主要涉及被加工对象的几何参数及公差要求。零件的几何形状决定了所选数控系统应具备的功能，公差范围决定了数控系统的控制精度、脉冲当量。改造后的数控车床，主要用来学生实习，其加工范围为车台肩、外圆、内孔、螺纹、锥形体、球体、切槽、切断等及带有复杂型面的卡盘类零件。加工精度要求小于0.01mm，现在市场上出售的一般经济型数控系统其脉冲当量为0.0050.01mm ，能够满足上述型面的加工要求，在技术上是可
25、行的。（4）技术性分析目前，我国在机床的数控化改造方面有许多成功的经验可供参考，机床的数控化改造技术方面也有一定的基础，充分利用现有的成功经验与技术基础并结合我们的具体条件，完成本课题在技术上也是可行的。（5）市场可供性所谓市场可供性就是研究市场是否能够方便及时地提供改造用的各种备件，以保证备件的供应。机床数控化改造计划实施应有本地区机电一体化供应的基本条件，这样不仅改造周期短，而且有利于保证维修及技术咨询服务。就本机床改造而言，市场上已建立了一套机电一体化配套产品代理机构，并且我校比邻北京，选购元器件非常方便，对于CA6140改造而言市场可供性好。综上所述，对原机床进行数控化改造符合技术可行
26、性要求。2.2.2 经济合理性论证在机床数控化改造中，不仅要考虑到数控机床的技术先进性，同时还必须考虑到它的经济效益和社会效益。这就要求对决策方案进行严密论证和科学分析。以往人们在机床数控化改造时只偏重于定性分析，对定量分析较少，造成论证不充分，导致改造失败或制定方案不经济。鉴于此，应采用定性分析和定量分析相结合的方法，为方案确定提供科学依据，为决策的研究创造条件。机床的数控化改造是广义上的设备更新的一种方法，因此，机床数控化改造的方案应与机床大修以及机床更新作对比，以确定最佳方案，常用的评价方法有:最低成本法、追加投资回收期法和机床改造效果系数法。选择哪一种方法需根据各参数的获取是否方便。经
27、过分析比较，笔者采用追加投资回收期法进行论证。（1）论证理论依据机床更新、机床大修和机床数控化改造的经济性分析所用参数及符号如表2一1所示: 表2-1 比较机床数控化改造经济性所用参数及符号指标名称大修理数控化改造更新基本投资（元）KrKmKn设备生产率（件/年）QrQmQn产品成本（元/件）CrCmCn在多数情况下，机床数控化改造与更新、大修理之间有下列关系: 当时，采用机床数控化改选方案最佳。当时，用追加投资回收期指标进行决策。 （2-1）式中T-投资回收期(年)如果TTn时，选择机床大修方案最佳。其中Tn为企业或部门规定的标准投资回收期。当时，机床更新是最佳方案。当时，同样采用追加投资回
28、收期进行决策. （2-2）如果TTn时，选择机床改造方案最佳。其中Tn同上为标准投资回收期。（2）经济合理性论证针对原CA614O普通车床，具体各种方案指标如表2一2所示: 表2-2 各种方案的有关指标指标名称大修理数控化改造更新基本投资（元）1.23.35设备生产率（件/年）3.52026单位产品成本（元/件）2107机床大修和数控化改造方案比较将数据代入2-1式得:T1=1.04(年)机床数控化改造和更新比较将数据代入2-2得:T2=3.8(年)经济性分析结论按照本行业来源的标准投资回收期Th 一般为3年，通过以上经济分析发现TITn20Jcm2。2热处理工艺(1)退火将棒料入炉加热至(8
29、6010)，保温时间2 3h，随炉冷却至室温，测得硬度为3839HRC。(2)固溶热处理 准备：将高温盐炉捞渣、脱氧、降温至1050 (仪表实际指示)，仪表员实际校核温度为1056C。预热：将零件在900C盐炉中预热l0 15min。淬火：将预热处理零件出炉，立即入温度为1056C左右的盐炉保温时间1h，出炉冷却至室温，测硬度为4748HRC。(3)冰冷处理将零件放入低温炉，入炉时温度为一69 (设备型号为153A)，设定温度为一78，降至一77 ，保温时间30min，出炉至室温，测硬度为4849HRC。(4)一次时效 将零件放入时效炉，设立温度为540C (仪表指示)，仪表员校核实际温度54
30、3 ，保温时间2h出炉，空气中冷却至室温，测硬度为5253HRC。(5)二次时效将零件放入时效炉，设立温度为540C(仪表指示)，仪表员校核实际温度543C，保温时间2h，出炉空气中冷却至室温，测硬度为53554HRC。力学性能：Ob1016MPa，CtK22Jcm 。3热处理曲线(见附图)4热处理工序过程安排(1)退火应安排在粗加工之前完成。(2)固溶处理应安排在粗加工之后完成。(3)冰冷处理应安排在固溶处理之后完成。(4)一次时效应安排在半精加工之前完成。(5)二次时效应安排在精加工之前完成。使用时应注意：由于滚珠丝杠副具有可逆传动的特性，没有自锁能力，因此在垂直升降系统和高速大惯量系统中
31、需设置制动机构。当然，滚珠丝杠副由于制造工艺复杂、加工精度要求高，故价格要比普通滑动丝杠副高出许多。由于滚珠丝杠副的径向尺寸较大，在进行数控化改造时，许多相关的部位都需修改，因此，为使改装方案容易实现，在可能的情况下，往往仍用原普通滑动丝杠，但为消除丝杠与螺母间隙，则应将原单螺母副改成可调间隙的双螺母副。如果在机床数控化改装中，需采用其他传动元件，则应注意采用消隙措施，如双齿轮消隙机构或采用同步齿形带传动，以提高反向精度。 滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式一般分外循环和内循环两种，如图所示：图24.进给（横向）机构的设计计算设计参数工作台重量： W4= 30kgf = 300 N时间常数： t = 25 ms滚珠丝杠基本导程： Lo = 4 mm 左旋快速进给速度： max = 1 m/min4.1 切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 PC = P 式中 P电动机功率(kW),C616型车床P = 4 kW 主传动系统总效率
