廣西工學院畢業(yè)設計（論文）說明書課題名稱 C630-1D車床的數控改造 橫向進給運動的設計 系 別 機械工程系 專 業(yè) 機械工程及其自動化（數控技術） 班 級 機自Y073 學 號 姓 名 指導教師 2011年 1月 10日35摘 要眾所周知，制造業(yè)是國民經濟的基礎產業(yè)和支柱產業(yè)，是推動國家技術進步的力量。我國制造業(yè)較落后，想要改變此現狀就必須提高制造業(yè)裝備水平，特別是機床的數控化率。數控機床是屬于高新技術集成的機電一體化機械加工設備，受到世界各工業(yè)發(fā)達國家的高度重視。成為當今世界機械加工設備中最引人注目的產品，但其價格昂貴。因此，普通車床的數控化改造成為熱點。本次設計是對普通車床C630-1D的數控化改造。在這個團隊主要包括:主傳動系統的改造、縱向進給系統的改造、橫向進給系統的改造。而我主要是針對橫向進給系統進行機械改造。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。數控改造主要傳動系統的機械改造。由于對經濟型數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，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。為實現機床所要求的傳動效率，采用步進電機經聯軸器再傳動絲杠；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 數控改造 聯軸器 滾珠絲杠 AbstractAs we all know, manufacturing is the basic of economy industries and pillar industries, is the power to promote the progress of technological of the State. Chinas manufacturing industry has fallen behind，if we want to change this situation we must improve the level of equipment manufacturing industry, especially in CNC machine tools rate. High-tech CNC machine tools are integrated mechatronics mechanical processing equipment, the worlds industrialized countries are highly valued of it. It has become the worlds most remarkable mechanical processing equipment products, but the price is very expensive. Therefore, the lathes Transformation of NC has become a hot. This design is about the common Lathe C630-1D 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 引言.- 1 -1.緒論.- 2 - 1.1數控機床優(yōu)勢概述. .- 3 - 1.1.1數控車床改造的意義. .- 3-1.1.2普通車床數控化改造的優(yōu)點.- 3 -1.1.3數控化改造的內容.- 5 -1.2車床數控改造的現狀與國內背景. - 7 -1.3車床數控改造的必要性與可行性. .- 9 -2.車床數控改造的總體構思與技術方案.- 10-2.1設計任務.- 10 -2.2總體方案的論證. . - 10 -2.3總體改造方案的確定.- 10-2.4機械部分的改造.- 11-2.5橫向進給系統設計與計算. - 11 -2.5.1橫向進給系統計算.- 11-2.5.2切削力計算. - 11 -2.6滾珠絲杠螺母副的設計、計算和選型.- 12-2.6.1滾珠絲杠螺母副設計. - 12 -2.6.2計算進給牽引力.- 12 -2.6.3計算最大動載荷.- 13 -2.6.4滾珠絲杠螺母副的選型.- 14 -2.6.5傳動效率的計算.- 16 -2.6.6剛度驗算.- 16-2.6.7穩(wěn)定性校核.- 16 -2.6.8滾珠絲杠副間隙的消除.- 18 -2.7定滾珠絲杠副支承所用軸承類型和規(guī)格.- 19 -2.7.1選擇軸承類型.-19 -2.7.2確定軸承內徑.- 19-2.7.3選擇軸承的規(guī)格代號.- 19 -2.7.4軸承所承受的最大軸向載荷.- 19 -2.7.5軸承的壽命驗算.- 20 -2.8聯軸器的選擇.- 21 -2.9電機的選擇與計算.- 23 -2.9.1等效轉動慣量的計算.- 23-2.9.2電機所需的轉動力矩計算.- 24 -2.9.3步進電動機的選擇.- 28 -2.10橫向滾動直線導軌.- 29-2.10.1滑動導軌的特點.- 29 - 2.10.2動導軌的設計.- 30-結論.- 33 -致謝.- 34 -參考文獻.- 35-引 言數控機床作為機電一體化的典型產品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好的解決了現代機械制造中結構復雜，精密，批量小，多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產品的和、加工質量。大幅度的提高生產效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數控機床間隔較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。另外從目前國內機床使用的現狀來看，普通機床擁有量巨大，在生產中，數控機床相對于普通機床的優(yōu)勢較為明顯，而由于數控機床價格昂貴，所以有必要對普通機床加以數控改造，使之能完成數控機床能完成的部分生產任務。我們這組的畢業(yè)設計是對普通車床C630-1D進行經濟型改造，本車床主要由床身、床頭箱、刀架、進給系統、液壓、冷卻、潤滑等部分組成，本次本車床的設計主要分為三大部分：主運動部分、縱向（Z軸）進給運動部分和橫向（X軸）進給運動部分。三部分由我團隊三人分別完成。本人針對橫向進給進行機械改造。進行完善C630-1D結構上先天性的不足。 畢業(yè)設計作為我們在大學校園里的最后一堂課，它既是一次鍛煉也是一次檢驗，它的目的在于： 1、畢業(yè)設計屬于機械系統設計課的延續(xù)，通過設計實踐，進一步學習掌握機械系統設計的一般方法。 2、培養(yǎng)綜合運用機械制圖、機械設計基礎、精度設計、金屬工藝學、材料熱處理及結構工藝等相關知識，進行工程設計的能力。 3、培養(yǎng)使用手冊、圖冊、有關資料及設計標準規(guī)范的能力。 4、提高技術總結及編制技術文件的能力。大學四年的學習生活即將結束，因此，我大膽的提出了對普通C630-1D數控化改造。為我們中國制造業(yè)，盡一份力微薄的力量。用我們所學的知識為我們最后的考驗做一份完美的答卷。由于畢業(yè)設計是我的第一次綜合性設計，無論是設計本人還是經驗上的缺乏都難免導致設計的一些失誤和不足，在此，懇請老師和同學們給予指正。 1.緒 論 數控技術水平的高低和數控設備擁有的多少已成為衡量一個國家工業(yè)現代化的重要標志。數控機床作為機電一體化的典型產品，在機械制造中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現代機械制造中結構復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產品的加工質量，大幅度提高生產效率。但是，發(fā)展數控技術的最大障礙就是添置設備的初期投資大，這使許多中小型企業(yè)難以承受。如果淘汰大量的普通機床，而去購買昂貴的數控機床，勢必造成巨大的浪費。因此，普通機床的數控化改造大有可為。 金屬切削機床是加工機器零件的一個主要設備。它擔負的工作量，約占機器總制造量的40-60%。機床的計術水平直接影響機械制造工業(yè)和勞動生產率。 金屬切削機床是人類在改造自然的長起生產實踐中，不斷改進生產工具的基礎上發(fā)展起來的。近些年來我國機床工業(yè)已取得很大成就。但和世界先進水平相比，還有較大的差距。主要表現在大部分高精度和超密機床的性能還不能滿足要求。精度保持性也很差。特別是高效自動化和數控機床的產量，技術水平和質量等方面都明顯落后。我國的技術人員素質還跟不上現代機床技術飛速發(fā)展的需要。 通過寫這次畢業(yè)設計，學會了綜合運用機械課程設計和其它課程地理論和實際知識，掌握了機械設計的一般能力，樹立了正確的設計思想，培養(yǎng)了分析和解決問題的能力。 學會了從機械功能的要求出發(fā)，會合理選擇傳動機構類型，制定設計方案，正確計算的工作能力。確定它的尺寸，形狀，結構及材料，并考慮制造工藝，使用，維護，經濟和安全等問題，培養(yǎng)機械設計能力，機床設計是設計人員根據使用部門的要求和制造部門的可能，運用有關的科學技術知識，所進行的創(chuàng)造性的勞動。隨著生產的發(fā)展，使用部門對機床的要求也在不斷地提高，而科學技術的發(fā)展和工藝水平的提高，又為制造部門創(chuàng)造了實現使用要求的條件，從而使機床的設計與制造獲得了迅速的發(fā)展。 機床設計也是從低級到高級發(fā)展的。在開始設計機床的最初階段，主要考慮這樣兩點：首先，為了加工出一定形狀的工件，必需保證刀具與工件之間具有一定的相對運動關系；其次是機件要有足夠的強度。過了一段時間以后，又提出對機床幾何精度的要求。這時的機床設計與制造是在滿足機床幾何精度要求的前提下，主要根據經驗或者用類比的方法進行的，可統稱為經驗設計。 隨著科學設計的發(fā)展和工藝水平的提高，尤其是先進刀具的出現，使機床向高速，大功率的方向發(fā)展。因此，對機床的精度和生產率等方面要求也就越來越高。于是，又相繼提出了一些設計機床時必須考慮的問題，如機床的精度問題，剛度，抗爭性，低速運動平穩(wěn)性，熱變形，噪音，磨損等等。對于這些問題的研究主要是通過機床性能實驗進行的。通過實驗，分析它們的規(guī)律性，分析影響機床性能的主要原因和尋求解決問題的方法。這時的機床設計是以實物測試和模型實驗為基礎進行的。與此同時，把技術科學中的理論應用到機床設計中來，初步建立起機床的基礎理論。對于機床設計，顯著地提高了機床的性能。 近些年來，現代科學技術的成就，為機床設計提供了大量的測試數據，理論研究也進入了新的階段，尤其是電子計算機的應用，使機床設計開始進入計算機輔助(CAD)和優(yōu)化的間斷。 通過寫這次畢業(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1.1 數控機床優(yōu)勢概述1.1.1數控車床改造的意義我國現在擁有數量多達300多萬臺的通用機床，其中大部分機床的加工精度、生產率和自動化程度與先進設備相比不高，要想在幾年內大量地用數控機床來更新，無論在資金上還是技術力量上都是難以實現的。但如果利用數控技術根據需要對現有機床加以改造，不僅能實現機床的自動化，提高機床的加工精度，而且投資少、見效快，適合我國的生產力水平。因此，利用數控技術改造舊設備已成為我國推廣全功能數控機床的過渡手段。1.1.2普通車床數控化改造的優(yōu)點 機床作為機械制造業(yè)的重要基礎裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關注，由于計算機技術的興起，促使機床的控制信息出現了質的突破，導致了應用數字化技術進行柔性自動化控制的新一代機床數控機床的誕生和發(fā)展。計算機的出現和應用，為人類提供了實現機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發(fā)展，數控機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用，同時使人們對傳統的機床傳動及結構的概念發(fā)生了根本的轉變。數控機床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機械產品向機電一體化發(fā)展的先河。 數控機床是以數字化的信息實現機床控制的機電一體化產品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數字記錄在控制介質上，然后將數字信息送入數控裝置或計算機，經過譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制機床伺服系統或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。 數控機床與普通機床相比，其主要有以下的優(yōu)點： (1) 適應性強，適合加工單件或小批量的復雜工件；在數控機床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現新工件加工。 (2) 加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質量； (3) 可進行多坐標的聯動，能加工形狀復雜的零件；(4) 加工零件改變時，一般只需要更改數控程序，可節(jié)省生產準備時間； (5)機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產效率高（一般為普通機床的35倍）；(6) 機床自動化程度高，可以減輕勞動強度改善勞動條件； (7) 對操作人員的素質要求較高，對維修人員的技術要求更高。數控機床一般由下列幾個部分組成： (8) 主機，他是數控機床的主題，包括機床身、立柱、主軸、進給機構等機械部件。他是用于完成各種切削加工的機械部件。(9) 數控裝置，是數控機床的核心，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，用于輸入數字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數據的變換、插補運算以及實現各種控制功能。 (10) 驅動裝置，他是數控機床執(zhí)行機構的驅動部件，包括主軸驅動單元、進給單元、主軸電機及進給電機等。他在數控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統實現主軸和進給驅動。當幾個進給聯動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。(11)輔助裝置，指數控機床的一些必要的配套部件，用以保證數控機床的運行，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、數控轉臺和數控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。(12) 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。 還具有良好的經濟效益；有利于生產管理的現代化；數控改造費用低；機械性能穩(wěn)定可靠，結構受限；可充分利用現有的條件；可以采用最新的控制技術；交貨期短，可滿足生產急需等優(yōu)點。 數控機床已成為我國市場需求的主流產品，需求量逐年激增。我國數控機機床近幾年在產業(yè)化和產品開發(fā)上取得了明顯的進步，特別是在機床的高速化、多軸化、復合化、精密化方面進步很大。但是，國產數控機床與先進國家的同類產品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設的需要。 我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質差，性能落后，單臺機床的平均產值只有先進工業(yè)國家的1/10左右，差距太大，急待改造。 舊機床的數控化改造，顧名思義就是在普通機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現預定的加工工藝目標。 隨著數控機床越來越多的普及應用，數控機床的技術經濟效益為大家所理解。在國內工廠的技術改造中，機床的微機數控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數控機床一面利用數控、數顯、PC技術改造普通機床，并取得了良好的經濟效益。我國經濟資源有限，國家大，機床需要量大，因此不可能拿出相當大的資金去購買新型的數控機床，而我國的舊機床很多，用經濟型數控系統改造普通機床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機床的自動化程度，比較符合我國的國情。 1984年，我國開始生產經濟型數控系統，并用于改造舊機床。到目前為止，已有很多廠家生產經濟型數控系統。可以預料，今后，機床的經濟型數控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設計實例具有典型性和實用性。1.1.3數控化改造的內容車床數控化改造的主要內容和主要結構形式如下：1、進給軸的改造 普通車床的X軸和Z軸均由同一電機驅動，走刀運動經走刀箱傳動絲杠及溜板箱，獲得不同的工件螺距即Z軸運動；走刀運動經走刀箱傳動光桿及溜板箱，獲得不同的進刀量即X軸運動。普通車床數控化改造時一般都去掉走刀箱及溜板箱，改用進給伺服（或步進）傳動鏈分別代替，具體體現為： Z軸：縱向電機減速箱（或聯軸器）縱向滾珠絲杠大拖板，縱向按數控指令獲得不同的走刀量和螺距。X軸：橫向電機減速箱（或聯軸器）橫向滾珠絲杠橫滑板，橫向按數控指令獲得不同的走刀量。 改造后整個傳動鏈的傳動精度在保證機床剛性的前提下，與滾珠絲杠副的選擇和布置結構形式、機床導軌的精度情況等有很大的關系。 (1) 滾珠絲杠副的選擇和布置結構形式 普通車床大多采用的是T型絲杠等滑動絲杠副，與滾珠絲杠副相比摩擦阻力大、傳動效率低，不能適應于高速運動。另外由于磨損快，造成其精度保持性和壽命低等等，在進行普通機床數控化改造時往往都將其更換為滾珠絲杠副。滾珠絲杠副有以下一些特點：摩擦損失小，傳動效率高，可達0.900.96；若使用的絲杠螺母預緊后，可以完全消除間隙，提高傳動剛度；摩擦阻力小，幾乎與運動速度無關，動靜摩擦力之差極小，能保證運動平穩(wěn)，不易產生低速爬行現象；磨損小、壽命長、精度保持性好。但應注意，由于滾珠絲杠副不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉運動轉換為直線運動，或將直線運動轉換為旋轉運動，因此絲杠立式和傾斜使用時，應增加制動裝置或平衡裝置。 滾珠絲杠副根據其滾珠的回轉方式可以分為外循環(huán)和內循環(huán)兩種，根據螺母的結構形式又可以分為雙螺母和單螺母。在進行改造時應根據具體情況和結構形式來定，由于外循環(huán)式絲杠副螺母回珠器在螺母外邊，所以很容易損壞而出現卡死現象，而內循環(huán)式的回珠器在螺母副內部，不存在卡死和脫落現象。由于雙螺母不僅裝配、預緊調整等比單螺母方便，而且其傳動剛性比單螺母也好，所以只要結構和機床空間滿足要求，在普通機床數控化改造中多選內循環(huán)式雙螺母結構。 改造時各軸滾珠絲杠的直徑一般都是與原T型絲杠直徑相近，對有特殊要求的機床還應根據桿系的穩(wěn)定性計算其臨界轉速，最終確定滾珠絲杠的直徑。絲杠導程在滿足機床改造后性能的前提下越小，對機床的傳動精度越有利。機床的傳動精度在保證機床剛性的情況下，與絲杠副本身的精度和軸承布置形式有很大的關系，一般在普通機床改造中絲杠副選P4級即滿足要求，特殊精密機床選P3級甚至更高。一端固定，一端懸空的布置方式。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度低，僅適應于短絲杠，如數控機床的調整環(huán)節(jié)或升降臺式數控銑床的垂直坐標中。 一端固定，一端支承的布置方式。這種安裝方式多在絲杠較長，轉速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承得數量，轉速不高時多用更經濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。 兩端固定的布置方式。這種布置方式絲杠副得支承剛性最好，通過軸承的預緊力預拉伸絲杠，以減少絲杠熱變形的影響。這種方式多用在絲杠長度不大得情況，但設計時要注意提高平面球軸承的承載能力、支承剛度以及絲杠裝配時的預拉伸量，否則會影響軸承壽命，同時也會因為預加負載得不易控制而增加電機的附加扭矩。 (2）機床導軌 普通車床導軌大多采用的是滑動導軌，其動、靜摩擦系數大，在使用一段時間后都會有不同程度的磨損，對機床傳動精度和其保持性帶來很大的影響。因此在對其進行數控化改造的同時必須針對機床導軌狀況進行必要的檢修處理，對于磨損較嚴重的更要進行大修，即進行磨削、淬火、貼塑、配刮等處理，同時采用合理的潤滑，充分保證其精度。 (3）電機與絲杠的聯接 在滿足機床要求的前提下，為減少中間環(huán)節(jié)帶來的傳動誤差，我們多將電機與絲杠副通過聯軸器直接聯接，這要根據改造中實際情況來定。3、刀架部分的改造 目前數控車床刀架基本為電動刀架，其特點是定位更準確、迅速。老式傳統車床刀架多為手動、液壓驅動或少部分的電動，改造時可以根據需要對其加以更換。 電動刀架可分為臥式轉塔刀架（一般安裝812把刀）和立式電動刀架，立式電動刀架有四工位（或六工位），其中每一種刀架又有抬刀刀架（兩端齒盤）和免抬刀刀架（三端齒盤）之分。臥式轉塔刀架價格相對較貴，改造中常用立式四工位電動刀架。 4、潤滑部分的改造 老式傳統車床除主軸箱外，導軌、絲杠副、光桿等多用油槍定期注油潤滑和油脂潤滑，這對機床的導軌、絲杠副等的精度保持很不利，在同等驅動下機床運動的穩(wěn)定性、靈活性也差一些。 在對這些機床改造時一般都要對其潤滑部分進行相應的改動，采用稀油集中定量、定時供油潤滑的方式，可分為手控潤滑和編程自動潤化兩種，在機床導軌、絲杠副布置好油路后可根據需要任選一種。 絲杠支承軸承一般采用油脂潤滑，如特殊需要和供油充分的條件下也可采用稀油潤滑。 5、機床防護 機床改造后整個防護分局部防護、半防護和全防護三種。 局部防護只對絲杠副、電機、走線等采取防護措施。半防護是在局部防護的基礎上增加切削的保護，即增加擋屑裝置。全防護即在局部防護的基礎上對整個機床加以封閉，此種防護最難處理，考慮的因素也很多如安裝位、防水、美觀等。實際操作起來以前兩種最多，也最易操作。 1.2 車床數控改造的現狀與國內背景隨著我國市場經濟的發(fā)展，國內、國際市場競爭日益激烈，產品更新更為迅速，中、小批量的生產越來越多。而普通機床已不適應多品種、小批量生產要求，數控機床則綜合了數控技術、微電子技術、自動檢測技術等先進技術，最適宜加工小批量、高精度、形狀復雜、生產周期要求短的零件。當變更加工對象時只需更換零件加工程序，無需對機床作任何調整，因此能很好地滿足產品頻繁變化的加工要求。對于機械制造企業(yè)，單純靠購買新的數控機床，所需投資大。為了節(jié)約資金，降低成本，利用原來的部分普通機床進行數控化改造，提高機械設備的數控化率，是一種有效的途徑。總體改造方案數控化改造設計時，在滿足車床總體布局的前提下要盡可能利用原來的零部件，因此確定總體改造方案如下： 除原車床的橫向絲杠光杠、溜板箱及掛輪箱中的齒輪，用滾珠絲杠替換原有普通滑動絲杠，橫向滾珠絲杠兩端盡可能利用原固定和支承方式。為便于安裝滾珠絲杠副，絲杠采用分體式，用套筒聯軸器實現剛性聯接； 橫向驅動電機及聯軸器安裝在床鞍的后部(相對操作者)； 要實現自動換刀。 產生與發(fā)展的社會、經濟基礎 (1)我國現有的、數以萬計的陳舊、落后的機床是機床大修與數控化改造行業(yè)產生的現實基礎我國是一個發(fā)展中國家，由于長期自身機制的不適應性，經濟實力過低、技術落后、設備陳舊，極大地制約著國民經濟的發(fā)展。為盡快改變我國機械制造業(yè)的落后狀態(tài)，近二十多年來，我們在艱難地發(fā)展民族機床制造業(yè)的同時，積極地引進了世界先進技術與設備。一方面與世界先進機床制造廠合作，不斷生產出具有世界先進水平的各類機床；另一方面直接購進了大量的各類機床。這一切都為我國國民經濟的快速發(fā)展起到了巨大的作用。 但是，機床長期運轉甚至超負荷使用，同時又缺少認真的維修與保養(yǎng)，造成機床嚴重磨損，喪失了精度；有些機床則由于企業(yè)人員及產品結構的改變，或由于技術力量不足而被長期閑置，需要使用時卻發(fā)現早已銹跡斑斑，電控系統不能起動； 由于新產品制造的需要，原有機床性能已不能滿足使用要求，急需更新升級改造；由于世界計算機及網絡技術的飛速發(fā)展，造成數控系統、驅動系統廠的產品更新加快，原有產品過早停產，給備件更換與維修帶來一定困難；況且數控系統的使用壽命一般在510年，而我國大多數機床都在超期服役。 這些諸多因素都需要對機床進行大修及數控化升級改造。 (2)新進的大批二手機床成為機床大修及數控化改造行業(yè)的催化劑自改革開放以來，許多企業(yè)引進了一大批國外淘汰的舊機床，雖然有一部分尚能滿足使用要求，但是多數由于缺少經驗、技術、資料及備件等因素，造成雖廉價購進但卻不能繼續(xù)發(fā)揮作用而閑置的尷尬局面。 其中不乏有為改造后投入使用而引進的舊機床和生產線。這里多數的二手機床只要再有適當的資金投入，經過大修改造即可發(fā)揮作用。 (3)顯著的經濟效益是機床大修及數控化改造行業(yè)的發(fā)展動力 對于機床擁有者來說，只需花費購買相同新機床30%以下的費用即可獲得相同的使用效果。根據國際該行業(yè)的記載，即使將原機床的結構性能進行徹底改造升級，也只需花費購買新機床60%左右的價格。 對于機床大修改造業(yè)內公司來說，這不僅為他們的服務企業(yè)產生巨大社會經濟效益，而且也是他們自身生存和發(fā)展的根本動力。 (4)機床大修及數控化改造的優(yōu)勢是該行業(yè)生存與發(fā)展的有利條件 舊機床的大修、翻新、升級改造與購買新機床相比，具有下列優(yōu)勢： 交貨期短。尤其是大型機床和特殊專用機床優(yōu)勢更加明顯。 性能更穩(wěn)定。各基礎件經長期時效，幾乎不會產生應力變形而影響精度；各功能部件經長期磨合。功能穩(wěn)定性可靠性好。 設計風險小。新機床設計中帶來的技術、方案風險在大修改造中幾乎不存在。 可以更充分地體現用戶的意愿。用戶與維修人員可以依照實際需要和機床長期使用情況，在大修改造中提出對機床性能、操作與維修等方面的改進(包括增、改)意見，有權選擇機械零部件、數控系統等電氣設備的規(guī)格、型號、性能等。 更有利于使用與維護。由于用戶、維修人員不僅可以直接參與改造方案的制定，而且可以參與改造的全過程，可以直接獲取各種技術信息，更深入地掌握機床的結構及性能特點，從而增強使用與維修的主動能力。 可以更快地獲取最新的更實用的備件。 節(jié)省大量投資。 降低投資風險。 (5)社會化、專業(yè)化趨勢是機床大修及數控化改造行業(yè)的必由之路 舊機床的數控化改造和翻新不僅僅是當前經濟轉軌時期必要和重要的行為，而且是一個企業(yè)長期發(fā)展的戰(zhàn)略措施。 當前，21世紀知識經濟時代，我國大多數企業(yè)正面臨著企業(yè)改制、轉軌以進入市場經濟，迅速融入國際競爭。這就需要我們企業(yè)的領導集中全部力量面對這些挑戰(zhàn)。企業(yè)集團化和集團內部分散網絡化、自治性、并行工作的新型組織、生產結構、敏捷制造技術、虛擬制造技術、可持續(xù)制造技術、綠色制造技術等等一系列新的技術理論，都需要下大力量去研究，以開發(fā)適銷對路產品，提高對市場的快速反應能力；集中人力、財力、物力以提高本企業(yè)的市場競爭力，充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢以最快速度創(chuàng)造出盡可能多的價值。因此，企業(yè)自身不可能再像過去計劃經濟體制下擁有大而全的維修隊伍。而設備維修改造的社會化、專業(yè)化也就不可避免地成為了大趨勢。 國外機床的改造與翻新是近期發(fā)展起來的一個新興產業(yè)，在先進國家已經形成了一定的規(guī)模和市場。而在我國，這一產業(yè)才剛剛興起，按照應具備的條件來衡量還相距甚遠。但是業(yè)內有識之士正在努力塑造自己、完善自己，相信不久的將來，一批具備一定條件和一定規(guī)模的機床改造、翻新的專業(yè)化企業(yè)會成長起來。 1.3 車床數控改造的必要性與可行性 數控技術是先進制造技術的核心技術，它的整體水平標志著一個國家工業(yè)現代化的水平和綜合國力的強弱，具有超越其經濟價值的戰(zhàn)略物資地位。目前我國企業(yè)機械制造整體水平與發(fā)達國家相比還有很大的差距。由于我國企業(yè)大部分數控機床和數控系統依賴進口，企業(yè)承受不了巨額購置費，且易受國外的控制，另外數控機械設備維修力量薄弱，進口的備件維修成本高，設備完好率低，大部分進口機床數控系統已經崩潰，有的甚至在進口后還沒使用就已因為各方面原因不能使用等等。因此目前我國企業(yè)機床數控化比例極低，不到5%，各企業(yè)使用的絕大部分為傳統老式機床，很難滿足企業(yè)高技術產品的生產需求和生產效率。為節(jié)約成本，進一步發(fā)揮老式傳統機床的功效和潛在價值，將大批傳統老式機床改造為數控機床是一種必然性和趨勢。 2 車床數控改造的總體構思與技術方案 本次改造的普通車床型號為C630-1D。數控改造主要傳動系統的機械改造。由于對經濟型數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，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。為實現機床所要求的分辨率，采用步進電機經聯軸器再傳動絲杠；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。2.1 設計任務將C630普通車床改造成經濟型數控車床在過程中滿足以下幾點要求：、1 橫向進給脈沖當量為0.001mm/脈沖2 進給范圍：3-1000mm/min快速進給：1000-3000mm/min3 橫向進給系統有微機實現開環(huán)控制系統兩軸聯動2.2 總體方案的論證 對于普通機床的經濟型數控改造，在確定總體設計方案時，應考慮在滿足設計要求的前提下，對機床的改動應盡可能少，以降低成本?？刂葡到y運動方式的確定 本設計中只對機械部分進行改造不對數控部分進行改造。2.3 總體改造方案的確定 C630車床主要用于對中型軸類、盤類及螺紋零件的加工，加工這些零件工藝上要求機床應完成的工作內容有：能夠控制主軸正反轉，實現不同切削速度的主軸變速；刀架能夠實現橫向的進給運動，并具有在換刀點自動改變四個刀位完成選擇刀具的功能；加工螺紋時，應保證主軸轉一轉，刀架移動一個加工螺紋的螺距或導程。這些內容就是數控化改造后數控系統需要控制的對象。 數控機床由機床、數控系統和外圍技術三部分組成。普通車床改造的目的是利用數控系統控制車床自動完成機械加工任務，提高車床的加工精度和生產效率。在考慮經濟型數控機床改造具體方案時，所遵循的原則是在滿足需要的前提下，對原有車床盡可能減少改動，以降低改成本。改造中需要解決的問題是：將機械傳動的進給和電動動控制的轉位刀架改造成數控裝置控制的自動轉位刀架和自動進給的數控加工車床。根據C630車床的有關資料，確定總體方案為： 利用數控系統對輸入的加工程序進行運算處理，發(fā)出的進給指令通過I/O接口輸出給X軸步進電機，經聯軸器后，帶動滾珠絲杠轉動，由螺母帶動刀架直線移動，從而實現橫向的自動進給運動。換刀指令通過刀架控制器控制二相電動機實現刀架自動轉位功能，由脈沖編碼器協調完成螺紋車削功功能。2.4 機械部分的改造 機械制造業(yè)在世界經濟發(fā)展中，作為基礎產業(yè)，具有重要的地位。為此，各國的經濟學家和企業(yè)家在不斷探索新形勢下的各種先進制造技術及制造業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略。作為制造業(yè)核心的機床制造業(yè)則是支柱的基石，是任何行業(yè)都不可或缺的。 (1)主傳動系統，保留原有的主傳動系統和變速機構，這樣既保留了機床原有的功能，又降低了改造工作量，如果要自動改變切削速度，可采用交流變頻調速，這樣改造成本較高，本次改造主傳動系統不做任何改動。(2)進給傳動系統改造 縱、橫向傳動全部用滾珠絲杠（傳動效率高，達到90%）。（拆除原有的掛輪系統、進給箱、溜板箱、光桿），在溜板下加裝滾珠絲杠螺母托架，在滾珠絲杠的頭、尾部加裝接套、接桿及支承。(3)刀架部分采用電動自動換刀。2.5 橫向進給系統設計與計算2.5.1 橫向進給系統計算步進電機經過聯軸器后驅動滾珠絲桿，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大托板上。用法蘭盤講步進電機與機床大托板連接起來，保證同軸度，提高傳動精度。 已知條件： 工作臺重量： W=300N 時間常數： T=30ms 滾珠絲杠導程： Lo=4mm 行程： S=390mm 脈沖當量： =0.001mm/step 快速進給速度： V=6m/min橫向絲杠進給速度： 02000mmmin 定位精度： 重復定位精度： 2.5.2切削力計算由經濟型數控車床系統設計知橫向進給為縱向進給的1/2-1/3，取1/2則切削力計算= 1/2= 0.54200.768=2100.4N在切斷工件時：= 1/2= 0.52100.4=1050.2N2.6滾珠絲杠螺母副的設計、計算和選型2.6.1滾珠絲杠螺母副設計原機床經過改造后成為數控機床在橫向縱向上的進給速度有較高的要求，因此原機床的普通絲杠螺母副已經滿足不了設計要求，必須進行替換。數控機床常選用滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母副摩擦系數小，傳動精度高，傳動效率比普通絲杠更高，而且滾珠絲杠螺母副的動、靜摩擦系數之差甚小，有利于防止低速爬行現象和有利于提高進給系統的靈敏度；采用預緊措施可以有效地消除其反向間隙，達達提高定位精度和傳動剛度滾珠絲杠螺母副的設計首先要選擇結構類型、確定滾珠循環(huán)的方式、滾珠絲杠的預緊方式、其技術參數有公稱直徑、導程、滾珠的工作圈數j、列數K、精度等級。確定滾珠絲杠副的導程 刀架快速移動速度，； 電動機通過聯軸器與滾珠絲杠的傳動比，??； 電動機的最高轉速，；所以由上式得 2.6.2計算進給牽引力 橫向進給為眼尾型導軌： =K+（+W）式中： K顛覆力矩影響的實驗系數，燕尾型導軌取K=1.4， 為導軌上的摩擦系數，=0.150.2，取=0.2， W工作臺作用在導軌上的重力。 =K+（+W）=1.151950.2+0.16（2100.4+300） 1950.4 N2.6.3計算最大動載荷： 選用滾珠絲杠副是直徑時，必須保證在一定軸向力負載作用下，絲杠在回轉轉后，在它的滾道上不產生點蝕現象，這個軸向負載的最大值即為滾珠絲杠能承受的最大動載荷Q，由數控機床系統設計可用下式計算： 式中：運轉系數，按一般運轉取=1.11.5 ； 硬度影響系數，取=1； 滾珠絲杠導程，初選=4mm； L壽命，以轉為單位，對于數控機床T=15000h； n絲杠轉速（r/min)； =15r/min =13.5(r） =（N）按精度要求，確定允許的滾珠絲杠的最小螺桿直徑：（1）估算絲杠允許的最大彈性變形量重復定位精度定位精度 最大彈性變形量。已知：重復定位精度，定位精度 取兩種結果的最小值，所以絲杠允許的最大彈性變形量（2）估算絲杠允許的最小螺紋底徑 支承方式系數，一端固定另一端自由或游動時為0.078，兩端固定或鉸支時取0.039；導軌靜摩擦力，；滾珠絲杠軸承支點間距離，。2.6.4滾珠絲杠螺母副的選型 滾珠絲杠副根據其滾珠的回轉方式可以分為外循環(huán)和內循環(huán)兩種方式，根據螺母的的結構形式又可以分為雙螺母和單螺母。在進行改造時應根據具體情況和結構形式來定，由于外循環(huán)式絲杠副螺母回珠器在螺母外邊，結構簡單，加工方便。由于雙螺母不僅裝配、預緊調整等比單螺母方便，而且其傳動剛性也比單螺母的好，所以只要結構和機床空間滿足要求，在普通機床數控化改造中多選用外循環(huán)式雙螺母結構。滾珠絲杠副的預緊方法有：雙螺母墊片式預緊，雙螺母螺紋式預緊、雙螺母齒差式預緊，單螺母變導程預緊以及過盈滾珠預緊等。根據已估算出的導程和預期動載荷Q，并考慮滾珠絲杠的精度、成本以及估算參數等各種因素。從滾珠絲杠尺寸系列表中找到額定動載荷選用深圳市賽瑞德精工機械技術有限公司生產的GD系列，選擇25043系列，公稱直徑=25mm,基本導程=4，循環(huán)圈數n=4,額定動載荷=6486N>5108N，外形如下圖所示：2.6.5傳動效率的計算：根據機械原理的公式，絲杠螺母副的傳動效率為： 式中 摩擦角 ，查機床設計手冊可知； 螺旋升角，其中=arctan2.73=2.92所以 =2.6.6剛度驗算：滾珠絲桿受工作載荷引起的導程的變化量=4mm=0.4cmE(彈性模量)= 滾珠絲桿受工作載荷引起的導程的變化量 = 滾珠絲桿受扭矩引起的導程變化量很少，可忽略；所以導程變化量：查表知E級精度絲桿允許的螺距誤差1m長為15um，因此剛度足夠。2.6.7穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作載荷過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產生縱向彎曲，即失穩(wěn)由歐拉公式得，失穩(wěn)時的臨界載荷為： 式中：E壓桿材料的彈性模量，對于鋼E=20.6MPa=20.6GPa； I壓桿橫截面對中性軸的慣性矩，對絲杠圓截面I=（為絲杠的底徑且=24.2mm）； 壓桿長度； 長度因素。本傳動系統的絲杠采用一端軸向固定，一端浮動的結構形式。由工程力學知：壓桿的長度因素表桿端約束情況兩端鉸支一端固定，另一端自由一端固定，另一端鉸支兩端固定長度因素 1 2 0.7 0.5所以 絲杠的長度L= 580 長度因素=0.7 =0.2由于一端軸向固定的長絲桿在工作時有可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數S，其值應大于絲杠副傳動結構允許的安全系數。查工程力學可知： 式中： 壓桿的臨界壓力； F壓桿的工作壓力； 壓桿的工作穩(wěn)定安全因素，機床絲桿的穩(wěn)定安全因素一般取2.54。 = 所以絲杠是很穩(wěn)定的（二）預拉伸力 滾珠絲杠的預拉伸力的計算公式為： 彈性模量； 熱膨脹系數； 溫度變化值。現?。?滾珠絲杠螺紋底徑（mm）。 所以由上式有： 2.6.8滾珠絲杠副間隙的消除為提高剛度，滾珠絲杠的間隙必須消除，機床上常用的雙螺母法。絲杠上螺母分為兩段，左右螺母，接觸角為45，左、右螺母接觸方向相反，如圖所示，預緊后絲杠剛度可以提高到無預緊的2倍，大大提高了進給系統的靈敏度和反向運動的定位精度。 2.7確定滾珠絲杠副支承所用軸承類型和規(guī)格2.7.1選擇軸承類型根據滾珠絲杠副支承要求來選擇軸承類型：兩端固定支承形式，背對背，成對安裝的角接觸球軸承 。2.7.2確定軸承內徑 為了便于滾珠絲杠的加工，軸承內徑最好不大于滾珠絲杠的大徑，內循環(huán)滾珠絲桿，必須有一端軸承內徑略小于絲桿底徑。因此橫向滾珠絲杠副選用得軸承內徑為20mm。2.7.3選擇軸承的規(guī)格代號根據機床的類型、工作條件及可靠性要求等因素，選擇廣州恩瑞锘軸承有限公司生產的角接觸球軸承，其規(guī)格代號為7204C/DB。2.7.4軸承所承受的最大軸向載荷有預拉伸的滾珠絲杠副應考慮到預拉伸力 等于滾珠絲桿的最大當量載荷，即因此，由上式得出軸承所承受的最大軸向載荷2.7.5軸承的壽命驗算 軸承的原始參數：軸承預期工作壽命 20000h 軸承轉速 1500r/min 額定動載荷 100000N軸承的壽命與所受載荷的大小有關，載荷越大，在接觸表面引起的接觸應力越大，因而在軸承零件發(fā)生疲勞點蝕前所經歷的總轉數越小，即壽命越短。滾動軸承的基本額定壽命計算公式如下 考慮到軸承在溫度高于100下工作時，基本額定動載荷Q有所降低，故引進溫度系數，對值予以修正。考慮到工作中的沖擊和振動會使軸承壽命降低，為此又引進載荷系數。實際計算中，軸承的工作轉速是已知的，這時用小時數表示軸承的壽命比較方便，于是得以小時數為單位的基本壽命計算公式： 基本額定壽命（h）；基本額定動載荷（N），對于推力軸承為軸向基本額定動載荷，即； 軸承轉速（r/min）；壽命指數（球軸承，滾子 ）；當量動載荷（N），考慮沖擊載荷時,在變速載荷或旋轉載荷作用下為平均當量動載荷，即。溫度系數。取=1； 載荷系數。取=1.5。 軸承工作溫度/100125150200250300溫度系數10.