C6136数控车床的改造毕业论文

内容摘要

由于C6136数控车床已经使用了3年多时间，其各部分传动零件和电器部分及加工零件所要求的精度c6136都无法达到，故我们要对C6136数控车床进行升级改造使其达到生产精度要求和工艺要求。此次改造主要是对其系统，横向和纵向丝杠的改动及更换步进电机等。 关键词：数控机床改造、 滚珠丝杠 步进电机 数控系统 步进电机

绪 论

1.1 C6136数控车床的改造方案

1.2 原C6136数控车床由于使用年份比较长，使用频率比较多故其步进电机内

部的磁力圈已经磨损严重导致步进电机丢步严重精度误差严重。故我们要选型更换步进电机。我们知道伺服电机的精度及工作性能要比步进电机好的多，但是为了节约成本我们还是选用步进电机。

1.3 原C6136的数控系统为GSK928TC现我们改换其升级版本GSK928TCA。

GSK928TCA数控系统，采用32位高性能工业级CPU构成控制核心，实现UM级精度运动控制，系统功能及参数比较多我这里就不一一说明了。主要是性能比较稳定，界面显示直观简明，操作方便。

1.4 原数控车床的丝杆属于滑动螺旋传动，主要缺点就是机械效率低，一般仅

为30~60%，与改造后的精度相差很多。数控机床除了具有较高的定位精度外，还应良好的动态间应特征，滚珠丝杠副的特点，传动效率高，一般达到90%以上，通过预紧力可消除丝杠间隙，运动平稳，传动精度高，有可靠性，磨损小，使用寿命长，但制造复杂，成本高。要使系统指令好，有能满足精度要求，本次改造采用滚动螺旋机构。

1.5 原数控车床的主轴电机功率为3.7KW，在其工作中发现其功率完全不够。

车床的切削力不足不可以大刀量进给，导致加工效率不高。故这里我们选用7.5.KW的主轴电机以提高数控车床的切削力和生产效率问题。 1.6 原C6136数控车床的变频器我们用的是富凌变频器3.7KW。其缺点就是工

作性能不稳定，没有自动电压调整导致主轴转速不稳及主轴启动延时比较厉害等。故我们这次选用安邦信AM100-7.5KW变频器 380V级其优点就是1具有自动电压调整，自动节能运行，自动限流对运行期间电流自己限制，防止频率过流故障跳闸等优点。

1.7 由于改动了上述部件故这里我们要考虑步进电动机距角和丝杆导程只能按

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标准选择，要达到0.001秒的分辨率的要求，纵﹑横向均要用错齿调隙的齿轮做减速运动。

要求改造更新后的C6136数控车床的参数如下：

最大回转直径：360MM 电机功率：7.5KW 快速进给：纵向2.4 m/min 横向1.2m/min 切削速度：纵向0.5m/min 横向0.25m/min 定位精度：0.015mm 运动部件重量：纵向800N 横向600N 脉冲当量：纵向0.01mm 横向0.005m

一 数控系统的选择

1原C6136数控车床使用的是广数GSK928TC数控车床系统，此系统由于使用时间比较长其内部的电器部分已经老化，导致机床在工作中突然停机。严重影响加工质量与人身安全。现在我们更换成GSK928TC的升级版本GSK928TCA， GSK928TCA具有以下特点：

1 Z、X、Y三轴控制，两轴联动，可控Y轴或伺服主轴，0.001mm（即μ

m级）插补精度，系统切削速度可达15000 mm/min；定位最高快速速度输出可达30000 mm/min。 2 圆弧加工的最大半径可达1000m。

3 加工性能好：系统输出脉冲平稳、均匀，加工后工件表面波纹均匀细腻、

衔接处无顿痕。

4 高效加工与灵活的实时检测并行执行处理机制；程序段间过渡不占时间；

辅助指令与定位指令可以同步执行；灵活应用系统的语句编程功能，能有效提升综合效率和安全性。

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5 最大限度的安全措施：提供了多种有关安全方面的参数选项，确保安全

使用；具有双重软限位保护功能等。

具体参数这里不详细说明了，主要选择此系统是因为价格相对比较便宜，工作性能比较稳定。还有就是其系统界面与GSK928TC基本一致方便操作人员快速熟悉掌握。

一 滚珠丝杆的选型与计算

1我们现在要计算一下纵向丝杠的进给牵引力Fm： 纵向进给的综合型导轨 采用三角型或综合导轨: Fm=kFx+f（3.1）

式中:Fx,Fy,Fz, —切削分力(N): G-移动部件的重量(N)

f—导轨上的摩擦系数,随导轨形式而不同

K考虑颠复力距影响的实验系数. f=0.16 则Fm=1.15×877.5+0.16(3510+800)=1698.75N 再计算一下最大动负载C:

C=3LfwFm 选用滚珠丝杠副的直径d.时必须保证在一定轴向负载 作用下.丝杠在回转100万转后,在它的滚道上不产生点蚀 现象.这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠能承受的最大动 负载

C

可

用

C=

3L（3.3） L=（3.4） n=

3

(Fz+G) （3.2） fw.Fm 60nT106 1000VSL0

（3.5）

式中滚珠丝杠导程L=6mm.可取最高进给速度的(1/2~1/3)此处 VS=0.5×0.5=0.25m/min T: 使用寿命按15000h计算 L: 寿命以106转为1单位 Fw: 运转系数，按一般运转取 fw:12~1.5 取fw=1.3

10000.25=42r/min 660nT604215000L===38小时

106106N=

C=3L.fw.Fm

C=338×1.3×1698.75=7508.47

计算出以上数据后查一下<<精密机床配件系列>>-山东济宁

选取滚珠丝杠公称直径为φ40选用的型号为 CDM4006-2.5作为纵向丝杆因为其额定动载荷15470N,所用强度足够用。 2现在算下纵向丝杆的定位精度：

最大牵引力为1698.75N, 支承间距L=1700mm

丝杠螺母及轴承均采用预紧,预紧力为最大牵引力为1698.75N. 公式如下： ΔL=

Fm.L0 : EFFm工作负载(N) L.:滚珠丝杠L=6mm

E:材料弹性模数对钢E=20.6×106(N/mm2) F:滚珠丝杠面积mm2

F=1/4πD2=1/4π×402=1256m △L=

1698.73620.394×104mm 620.6101256.0 4

再算滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩的变形量δmm δ=0.394×10-4×L/6=0.011

对滚珠丝杠经过预拉拉伸,拉压刚度可提高4倍 其实际变量=1/4×0.011=2.75×103mm

3=0.00756mm<定位精度0.015mm

计算值满足改装所需要求，顾纵向丝杆选择型号CDM4006-2.5的丝杆。

2计算横向丝杠进给牵引力Fm： 横向导轨为燕尾形导轨 其计算公式如下:

Fm=KFx+f (Fz+2Fy+G)

式中K:考虑颠复力矩的影响实验系数K=1.4

f:导轨上摩擦系数为f=0.2,G移动部件重量G=600N

Fm=1.4×702+0.2(1755+2×438.75+600)=1629.3N 3．计算最大动负载(N)

1000VS10000.250.5.==31.25 L046031.2515000L==28.125

106n=

C=328.125×1.2×1629.3=5865.48N

得出以上数据后 查<<精密机床配件系列>>丛书 山东济宁 选用滚珠丝杠为CDM2504-2.5 其额定的动载荷为6638

d=25mm d1=24.5mm 循环列数为1×2.5×2 Coa=16826 螺旋导程角 r=arctanpD=arctan

4 r=2°55 选择精度等级为3级。其数据

3.1425满足横向丝杆要求。

得知以上数据后算出横向丝杆的定位精度：

已知横向进给最大牵引力为2612.1N 支承间距 L=450mm 因丝杠长度较短不需要预紧

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滚珠丝杠的拉伸或压缩变形量 △L=

FmL1629.344==0.6448×10 62EF20.610/425滚珠丝杠经过预拉伸

=1/4×0.007254=0.0018

3=0.0054小于定位精度 定位精度为0.015mm

计算值满足改装要求，所以横向丝杆我们选用CDM2504-2.5。

二 步进电机的计算与选型： 1 纵向步进电机力矩计算

机床在不同工况下,其所需要的转距不同,下面分别按各阶段计算 快速空载启动时所需要的力矩M起

M起=Mmax+Mf+M0

（3.8）

式中:M起-快速空载启动力矩(N.m) Mmax-折算到电机轴上的加速力矩(N.m) Mf-折算到电机轴上的附加摩擦力矩(M.m) 起动加速时间ta=30ms Mmax=J.e=Jnmax=

Vmax.b

p.3602nmax×102 60taJ—传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量(Kg.cm2) ε—电机最大角加速度 nmax-电机最大转速 (r/min)

p—脉冲当量

b—步进电机的步距角

nmax=

vmax.bp.360=

24000.75=500r/min

0.013606

Mmax=

28.9500210=504.4N.cm 3(60/23010)摩擦力矩Mf(N.m) Mf=

F0L0f'GL0= 2i2iF.—导轨摩擦力(N)了发 G运动部件总重量(N) i —齿轮降速比按i=Z1/Z2计算 η—传动链总效率一般η=0.7~0.85 取0.8 Mf=

0.168000.6=12.22N.cm

20.81.25附加摩擦力M0 M0=

FP0.L0(12)` 2i式中 FP0-滚珠丝杠预加载荷一般取1/3F m Fm为进给牵引力(N) L0—滚珠丝杠导程(cm)

N—滚珠丝杠未预紧时传动效率94.24% M0=M0=

1/3Fm0L0FP0.L0(12) (12)=

2i2i1/31698.730.6(10.92)

20.81.25∴M起=Mmax+Mf+M0=504.4+12.22+10.28=526.9N.cm (2)快速移动时所需力矩M快

M快=Mf+M0

Mf=

0.16(3510800)f'(FZG)0.6=65.88N.cm L0=

20.81.252i(3)最大切削力负载时所需力矩M切 M切=Mf+M0+Mt

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Mt=

Fmax.L0

2i式中 Fmax-进给方向上的切削力取Fx=877.5N Mt-折算到电机轴上的切削负载力矩(N.cm) Mt=

877.50.6`=83.84(N.cm)

20.81.25 M切=Mt+M0+Mt=65.88+10.28+83.84=160N.cm

从上面可以看出M起, M快,M切,三种情况下,以快速空载时 所需力矩最大,以此项工作为选步进电机的依据 2

步进电机的选择：

对于工作方式为五相十拍的步进电机

Mjmax=

Mmax=526.9/0951=554.048 查表选用130BF001型直流

步进电机的最大静转距为930N.cm，满足改装要求。

3横向步进电机力矩的计算：

机床在不同工况下其所需的转距不同,下面分别按各段计算 1.快速空载起动时所需的力矩M起

M起=Mmax+Mf+M0

Mmax=J.e=J×nmax=

2nmax102 60taVmaxb12000.75==500r/min

p3600.0053602500102Mmax=2.414×=42.1N.cm 3603010折算电机轴上的摩擦力力矩Mf Mf=

F0L00.166000.4==4.58N.cm 2i23.145/3附加摩擦力矩M0 M0=

2FP0.L01/3Fm(12)=(1) 2i20.85/38

=

1/31629.3(10.92)=11.07Ncm

20.85/3Mmax=42.1+4.58+11.07=57.75N.cm (3)快速进给时所需力矩M快 M快=Mf+M0 Mf=

F0L0f'G=4.58N.cm 2i2i M0=1/3Fm/2paini(1-n2)=11.07N.cm M快=4.58+11.07=15.65N.cm (4)最大切削负载所需力矩M切

M切=Mf+M0+Mt

Mt=

F0t07020.4==33.4N.cm 2i2　3.14　0.85/3F0L0f'(FZG)0.16（1755600)==17.96N.cm 2i223.140.85/3Mf=

M切=33.4+17.96+11.07=62.43N.cm

上面计算可以看出M起,M快,和M切三种工况下,

以最大切削负载所需力矩M切作为选用电机的依据当 步进电机为五相十拍时=M切/Mmax Mjmax=M切/=62.43/0.951=65.64

算出后查表选择90BF002的步进电机其最大静转距为400，满足改装要求。

（一） 主轴电动机与变频器的选择；

1 原C6136数控车床的主轴电动机功率为3.7KW不能满足生产要求。我们现在把电动机换成功率为7.5KW的YVP变频调速三相异步电动机 。其主要特点：

1、起动电流小，不用附加起动设备； 2、低频起动时力矩对负载冲击小；

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3、体积小、重量轻、安装尺寸和Y系列相同；

4、在风罩内装有轴流风机，在各种转速下，均有良好的冷却效果； 5、应用范围广，在50Hz以下可作恒转矩运行，在50Hz以上可作恒功率运行；

6、调速平滑能在5～100Hz范围内无级调速；

7、较电磁调速电机节能降耗，调速范围广，结构简单，使用可靠，维修方便等优点足够满足改装要求，其价格为1230元在同型号中性价比比较高

。

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变频器我们用安邦信AM100-7.5KW变频器其主要点前面以阐述这里就不详细说明了，其连接图如下：

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此变频器工作稳定性比较好，满足改装要求。

三 C6136数控车床的系统硬件电路改造

由于原机床使用年限比较长导致部分接线与电器元件老化，导致数控车床整体的

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问题严重比如指令输入后系统没反应及有时工作状态中突然停机等问题。所以我们此次要把系统硬件的电路更换掉我们选用的是GSK928TCA数控系统。拆下原来的数控系统，把数控系统的连接线与驱动器的插口对应接在一起其中PA口为输入口，PA0与PA5是功能健其主要控制刀架﹑编程﹑空运行﹑自动与手动把PA0与PA5连接到驱动器对应的输入接口。把PB0连接到驱动器的对应的输出口其主要是控制启动﹑连续﹑单段﹑急停等。把PB5连接到驱动器的对应输出口其主要功能是换刀。PB6主要是接光电编码器的输出零位接口。把PA0与PA7的输出端接到驱动器的输入口其主要功能是控制Z轴和X轴的步进电机转动。PC4是报警接口.PB4和PB7是控制数控车床的行程开关的。

四 主轴编码器的选择与安装

编码器我们选择F58系列增量型编码器-实心轴。

其主要特点是：自动测量数控车床上的作角度和横，纵坐标的测量等

内部采用ASIC器件，可靠性高﹑寿命长﹑抗干扰能力强﹑不锈钢主轴有较强的稳定性和防护性﹑金属外壳更加牢固出线插头有防水功能等。

安装示意图：

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安装注意事项：

– 必须选择柔性联轴器

– 径向、轴向、角度安装偏差不允许超过 联轴器允许范围，以1/10最大值为佳。 – 径向偏差建议不超过0.03mm

– 轴向安装时，必须注意驱动轴轴向窜动 不得出现牵引或碰撞编码器轴的现象。 – 安装不得出现任何机械敲打撞击或加 工，若出现安装困难，

切忌使用安装螺孔作为同轴定位尺寸。

五 丝杆与导轨的自动润滑

对于丝杆与导轨的自动润滑我们保留原先C6136数控车床的单数显电动润滑泵。

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六．改造小结

对数控车床的升级改造有多方面的问题：比如成本问题﹑数控车床的整体布局问题及数控车床的高精度问题及操作问题等。如今数控机床的发展日新月异，高速化﹑高精度化﹑功能复合化﹑控制智能化﹑高可靠性﹑开放化﹑网络化﹑极端化﹑绿色化﹑并联驱动化。以上升级改造只是提高了C6136数控车床的控制精度﹑加工效率﹑以及加工精度的及表面加工质量等方面。

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七 参考文献

1步进的电机计算公式参考张勇主编，《车床数控化改造实例》，机械工业出版社 2 纵向与横向丝杆计算公式胡晓东主编，《数控机床操作与维护技术基础》电子工业出版社

3 主轴电动机和变频器的选择参考本身机械加工所需要的要求。 4 电路接线参考自身实际操作。

5 主轴编码器参考刘永久主编，《数控机床故障诊断与维修技术（FANUC系统）》，机械工业出版社

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致 谢

在此次毕业设计中我不但巩固了已学过的机械设计方面的基础知识，而且看来很都资料学了很多东西，并从中学到了不少的知识，获益匪浅。而此次毕业设计的顺利完成，除了自己本身的努力之外，我觉得更加离不开老师和同学们的帮助。我首先要感学校给予了我提升个人能力的这样一个学习平台；再者，我要真诚地感谢所有老师，正是在他们精心的培养、指导、无私的关怀与帮助下，促使我顺利完成了学业。在此诚挚地道一声：老师们，谢谢！

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