CA6140普通车床数控化改造毕业论文.doc

CA6140普通车床数控化改造摘要在机械制造领域，机床是生产的母机，也是社会生产力发展水平的重要标志。随着工业的发展，数控机床的使用将变得很普及。而目前,很多企业还存在很多老旧的普通6140车床,这些普通车床已不适应生产要求.如果将机床设备全部更新换代,不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。通过数控化改造，不但可以使改造后的机床提高了生产率和加工精度，增大了设备适应能力和型面加工范围，还可以弥补定购新的数控机床交货周期长的不足。本设计即为对CA6140普通车床进行数控化改造。通过查看CA6140机床的有关资料，并且参照了数控机床的改造经验和从性价比出发，本次改造将不改造机床的主轴箱，保留原机床的主轴旋转运动，只对机床的横、纵向进给实施数控改造；对刀架进行数控化改造。通过纵横向进给的数控联动和自动换刀可以车削加工复杂形状及螺纹沟槽等，提高其使用范围，提高生产率和加工精度。关键词：CA6140车床 数控化改造 横、纵向进给 自动换刀 目录第一章 绪 论1一、课题意义1第二章 机床数控化改造的一般方法2一、电气控制改造2二、机械部分的数控改造2第三章 本设计方案3一、总体方案的确定3二、机械传动结构环节的设计3三、机床进给系统机械部分设计计算4四、控制系统的选用14五、光电编码器的安装16六、导轨的改造17七、自动回转刀架的选型17结束语18参考文献19第一章 绪 论一、课题意义（一）、机床的数控改造1.概述随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，产品的更新换代也不断加快，因此对机床不仅要求较高的精度和生产率，而且应能迅速的适应产品零件的变换。生产的需要促使了数控机床的产生，随着电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速的发展起来。从第一台数控机床问世至今，世界上主要工业化国家的数控机床以进入批量生产、机床的数控化率在不断提高，到1988年，日本生产机床的数控化率达到了70%。我国从开放搞活以来，加快了数控机床的数控化引进，促进了我国机床数控技术的普及和发展。各大企业不断购进数控机床扩大在生产和替换陈旧设备，数控机床在企业中在也不是凤毛麟角，而是不断提高普及率。这种情况下，普通机床的数控化改造是否必要？可从以下几点说明。2.数控改造的必要性目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且代替下的机床闲置起来的机床会有很大的浪费。数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批、多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，但是应用数控机床还是受到其他条件的限制。（1）、数控机床的造价昂贵，一次性投资巨大，对中小企业是有余力而不足。（2）、在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产的急需。（二）、数控改造的优点1、数控改造一般对普通机床某些部件做一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工能力。其改造的目的有以下几点。（1）、从提高资本效率出发，改造闲置的旧设备，发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值。（2）、为了提高生产效率进行数控改造。（3）、为了适应多品种、小批量零件生产而进行数控改造。（4）、为了使技术等级较低的工人也能加工出高质量的产品零件和提高生产效率而进行数控改造。（5）、为了减小整个设备投资计划而进行数控改造。2、所以这些目的都围绕一点，即提高机床的性能价格比，用较少的价格，得到较高的机床性能。因此数控改造具有以下的优点。（1）、对于现有的机床实现自动化，而且专业性强，没有多余的功能。（2）、减少辅助加工的时间，提高机床的生产率。（3）、降低对工人的技术等级要求。（4）、数控改造费用低，可充分利用原有的机床设备。（5）、数控改造的周期短，可满足生产急需。第二章 机床数控化改造的一般方法一、电气控制改造 进给传动的作用是接收数控系统指令，经放大后使刀具作精确的定位或按规定的轨迹运动，加工出符合要求的零件。因此要求进给传动有较高的定位精度和重复定位精度，响应快，调速范围宽，输出功率大。一般中小型机床的数控化改造多采用微机控制的开环步进电机驱动方式，这种方式简单、经济、安装调试方便，但控制精度和速度较底。大型机床多采用伺服电机半闭环控制方式，控制精度和速度比开环控制方式高，但价格较高，维修较困难。二、机械部分的数控改造进给系统机械部分数控改造主要是提高移动部件的灵活性，减少或消除传动间隙。普通机床多采用普通的丝杠副。但普通丝杠副摩擦阻力大，传动效率底，动静摩擦系数相差大，底速容易出现爬行。采用滚珠丝杠副可满足数控机床的要求精度高，反应快，无爬行。 第三章 本设计方案一、总体方案的确定本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。保留原有主轴传动系统不变，为保持切削螺纹的功能，必须在主轴上安装光电编码器；利用微机对纵、横向进给系统进行半闭环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用交流伺服电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。二、机械传动结构环节的设计首先拆去进给箱、溜板箱；还要对车床的床鞍进行部分的改造，拆去纵向小拖板、 横向拖板，将丝杠换成滚珠丝杠；采用一对降速齿轮降速。其传动顺序为电机通过降速齿轮带动滚珠丝杠，滚珠丝杠带动工作部分进给。其结构简图如图3-1所示图3-1滚珠丝杠的支撑结构的设计。横向进给丝杆传动的转矩小，滑台重量轻，工作行程短，因此杠采用一端固定一端自由的结构，采用角接触球轴承支撑。其结构示意图如3-2图3-2纵向进给中滑台重量大，所需转矩大，工作行程长， 因此采用一端固定一端游动的支撑。其结构如图3-3图3-3在齿轮传动过程中需要消除传动间隙，根据结构需要采用双齿轮内压簧错齿间隙调整。其机构如图3-4所示图3-4三、机床进给系统机械部分设计计算：伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载和系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机。（一）、纵向进给系统设计计算1、导程的确定Vmax = 8m/s = 8000mm/s取降速比 i = 2 根据公式计算导程P= = = 82、确定降速齿轮中心距和齿轮直径1取小齿轮 z1=30 根据公式 i = 得 z2 = 60分度圆直径 模数m 取2d1=mz1 = = 60mmd2=mz2 = = 120mm中心矩 d = = 90mm3、负载惯量的计算2齿轮的转动惯量D1=60mm D2 =120mm 齿轮厚L=20mmJ1 = 0.77D14L10-4 = kg.m2J2 = 0.77D24L10-4 = kg.m2工作台折算到丝杠的转动惯量Jt= = kg.m2丝杠折算到电机轴上的转动惯量查机械设计手册Js=0.01518 丝杠长度为1.4mJs= kg. m2Jm=kg.m2J=17.6 kg.m2按中小型数控机床惯量匹配条件17.6<JM<70.4按此匹配条件初选电机 FANUC交流伺服电机 5型电机基本参数转动惯量 kg.m2输出功率 0.9kw最高转速 2000r/min机械时间常数 9ms额定转矩 5.9N.m 最大转矩 53N.m4、马达转矩计算与选用3（1）、最大切削负载时所需力矩T=Tat + Tf + T0 + TtTf 折算到马达轴上的摩擦力矩T0由于丝杠预紧引起的折算到马达轴上的附加摩擦力矩Tt折算到马达轴上的切削力矩Tat切削时折算到马达轴上的切削负载力矩Tat=1.5277N.m n=300r/min t = (34)tm tm时间常数 为9msF0=730N 工作台重量为730kg 滑动摩擦系数 取0.1Tf=0.581N.m 附加摩擦力矩T0= =0.776N.m Famax 由于丝杠的预加载荷引起的 Tt= 查CA6140说明书知道Ft=3000N=2.388TN=0.581+2.388+0.776+1.5277=5.272N.m所选电机额定 转矩为5.9N 满足额定转矩要求（2）、校核空载时的最大转矩TMTM=Tamax+Tf+T0Tama=Jt.n=13.58TM=13.58+0.581+0.776=14.937N.m电机的最大转矩为53N.m最大空载转矩小于电机最大转矩满足要求电机合适 5、滚珠丝杠的选取4丝杠的安装方式为一端固定， 一端游动丝杠有热膨胀的余地，适用于较长的卧式丝杠安装，固定端采用角接触轴承，游动端采用深沟球轴承。确定滚珠丝杠的规格代号采用双螺母垫片预紧滚珠丝杠副型号为： FFZD 4008-5基本参数为公称直径 d0 = 40mm导 程 PH=8动 载 荷 Ca =30.7kN刚 度 K = 1580N/丝杠底径 d2=34.9丝杠的校核d2m=L 丝杠的长度 重复定位精度为 0.012/300mm 定位精度为 0.010mm取其中的小值 L = 行程+安全行程+余程+螺母长度的一半+支承长度的一半 = 行程+PH+4 PH+ PH+行程=行程+PH=1.05mF0=109.5Nd2m=15.2mmd2=34.9> d2m=15.2 满足最小螺纹低径要求Cam=nm=500 nmax=2000 1/2=1000 nmin=0Fm= Fmin=7=730N= Fmax=3800N=2276NCam=25.52NCam<Ca=30.7 选择丝杠合适6、纵向系统的动态性能分析精度验算伺服刚度KRKR=Ks系统的开环增益 Ks的倒数ts是系统的时间常数Kt伺服电动机的转矩系数 Kt=0.57Ke 电机的反电动势系数 Ke=0.58Kv0 速度环 开环增益 可调至 Kv0=（24）KsRM 电机电阻ts=9msKs=111.1Kv0 = (24)Ks = 222.2KR = =31531K/R= KR=48.5106N/m = 48.5N/滚珠丝杠螺母的接触刚度 根据样本手册，KN=1580N/丝杠的拉压刚度 最小拉压刚度计算KKmin =10-6 = 10-6=279.1 N/轴承的轴向刚度 Kr轴承型号为7006ACKr=1.18Fr 作用于轴承上的径向载荷 接触角db 球径z ,i 滚动体的列数和每列的滚动体数Fa0预紧力为600N查轴承样本 Cr=14.5kN 取Fre= Cr/10=1450NFr=Fre + Fa0ctg=1450+600ctg250=2736.7Kr=1.18 =1.18=143.52N/综合刚度 k= =45.2 N/=7.74满足定位精度定位精度为=7.74满足定位精度为mm要求（二）、横向进给系统设计计算1、导程的确定 Vmax = 4m/s = 4000mm/s取降速比 i = 2 根据公式计算导程P= = =42、确定降速齿轮中心距取小齿轮 z1=20 根据公式 i = 得 z2 = 40分度圆直径 模数m 取1.5d1=mz1 = = 30mmd2=mz2 = = 60mm中心矩 d = = 45mm3、负载惯量的计算齿轮的转动惯量D1=60mm D2 =90mm 齿轮厚L=20mmJ1 = 0.77D14L10-4 = kg.m2J2 = 0.77D24L10-4 = kg.m2工作台折算到丝杠的转动惯量Jt= = kg.m2丝杠折算到电机轴上的转动惯量查机械设计手册Js=0.00094 丝杠长度为0.5mJs= kg. m2Jm=kg.m2J= kg.m2按中小型数控机床惯量匹配条件1.5421<JM<6.1687按此匹配条件初选电机 FANUC交流伺服电机1-0型电机基本参数转动惯量 kg.m2输出功率 0.4kw最高转速 2000r/min机械时间常数 5ms额定转矩 2.0N.m 最大转矩 16N.m4、马达转矩计算最大切削负载时所需力矩T=Tat + Tf + T0 Tf 折算到马达轴上的摩擦力矩T0由于丝杠预紧引起的折算到马达轴上的附加摩擦力矩Tt折算到马达轴上的切削力矩Tat切削时折算到马达轴上的切削负载力矩F0=330N 工作台重量为730kg 滑动摩擦系数 取0.1Tf=0.1316N.m 附加摩擦力矩T0= =0.1086N.m Famax=1400 由于丝杠的预加载荷引起的 Tt= 查CA6140说明书知道Ft=10001500N=0.398TN=0.6382N.m所选电机额定 转矩为2.0N 满足额定转矩要求待添加的隐藏文字内容3校核空载时的最大转矩TMTM=Tamax+Tf+T0Tamax=Jt.n=1.6063TM=1.6063+0.1316+0.1086=1.8465N.m电机的最大转矩为16N.m最大空载转矩小于电机最大转矩满足要求电机合适 5、滚珠丝杠的选取丝杠的安装方式为一端固定， 一端悬浮，适用于较长的卧式丝杠安装 固定端采用角接触轴承 游动端采用深沟球轴承确定滚珠丝杠的规格代号采用双螺母垫片预紧滚珠丝杠副型号为： FFZD 4004-3基本参数为公称直径 d0 = 20mm导 程 PH = 4 mm动 载 荷 Ca =7.3kN刚 度 K = 519N/丝杠底径 d2 = 16.9丝杠的校核d2m=L 丝杠的长度 重复定位精度为 0.012 定位精度为 0.010取其中的小值 L = 行程+安全行程+余程+螺母长度的一半+支承才度的一半 = 行程+PH+4 PH+ PH+行程=行程+PH=1.05m=0.47m行程 = 0.47mF0=52.5Nd2m=7.07mmd2=16.9> d2m=7.07 满足最小螺纹低径要求Cam=nm=500 nmax=2000 1/2=500 nmin=0Fm= Fmin=0=350N= Fmax=38001/4=950 N=750NCam=6896.78NCam<Ca=7.3KN 选择丝杠合适四、控制系统的选用5控制系统的加装有三种方案选择：（一）直接选配现有的适合的数控系统控制装置；（二）基于单片机为核心的自行研发的微机控制方案；（三）基于PLC的控制方案。本设计选用华中数控“世纪星”HNC-18xp/TD数控车床系统，华中数控“世纪星”HNC-18xp/TD数控装置（如图3-8所示），采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，配置5.7/液晶显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，采用电子盘程序存储方式以及CF卡、DNC、以太网等程序交换功能、具有低价格、高性能、结构紧凑、易于使用、可靠性高等特点。最大联动轴数为2轴。可选配各种类型的脉冲指令式驱动单元。除标准机床控制面板外，配置32路开关量输入和24路开关量输出接口、手持单元接口、主轴控制与编码器接口。采用5.7/单色液晶显示器（分辨率为320×240）。全汉字操作界面、故障诊断与报警、加工轨迹图形显示和仿真，操作简便，易于掌握和使用。采用国际标准G代码编程，与各种流行的CAD/CAM自动编程系统兼容，具有直线插补、圆弧插补、螺纹切削、刀具补偿、宏程序、恒线速切削等功能。反向间隙和单、双向螺距误差补偿功能。内置RS232通讯接口，轻松实现机床数据通讯。支持USB盘，存取程序方便快捷。支持以太网功能选择，快速传输程序与数据。400KB用户零件程序断电存储区（可采用CF卡另外扩充），32MB RAM加工内存缓冲区。 图3-5 华中数控“世纪星”HNC-18xp/TD数控车床系统控制装置表3-1 GSK 928TC-2车床数控系统功能参数CNC功能最大控制轴：2进给轴+1主轴  联动轴数：2轴最小分辨率：1微米          自动加减速控制（直线/S曲线）参考点返回坐标系设定                加工过程图形仿真显示和实时跟踪              M、S、T功能nMDI功能  内部二级电子齿轮n加工过程图形静态仿真和实时跟踪 简单车削循环              复合车削循环CNC编程最小编程尺寸：0.001毫米、度  最大编程尺寸：99999.999最大编程行数：20万行      公/英制编程绝对/相对指令编程          宏指令编程子程序调用                 工件坐标系设定直径/半径编程              自动控制倒角（圆角、直角）恒线速切削功能插补功能直线插补，最大3个轴圆弧插补                     螺纹切削刀具补偿功能刀具长度补偿                 刀尖半径补偿操作功能5.7/TFT彩色液晶显示屏   防静电薄膜编程面板与机床操作面板PC标准键盘接口          手持单元（选件）图形显示功能与动态实时仿真  网络通讯功能进给轴功能无限旋转轴功能           最高设定速度21000mm/min进给修调0%-150%         快移修调0%-100%多种回参考点功能：单向、双向主轴功能主轴速度：可通过PLC编程控制（最大60000rpm）主轴修调：从0%-150%      主轴速度和修调显示变速比和变速比级数可通过PLC编程控制辅助功能    冷却开/停n  自动换刀  n主轴正反转  PCL功能内嵌式PLC    提供标准PLC例程    PLC状态显示以上数控装置特点及表3-2所示功能参数，可以满足本方案对纵向进给系统、横向进给系统等伺服进给交流伺服电机半闭环控制，达到经济型一般为分辨率10 p m，进给快移速度8000"-"15000m mmin的性能，符合设计要求。五、光电编码器的安装主轴箱没有改造，主轴的转速和刀架进给是没有关联的，为保持切削螺纹的功能，必须在主轴上安装光电编码器。光电编码器在切削螺纹时可解决主轴旋转与坐标轴进给的同步控制。光电编码器与主轴传动比1：1，要求主轴转一周工作台移动一个导程，以保证切削螺纹的螺距准确。主轴光电编码器安装方式有两种6：（1）同轴安装；（2）异轴安装。同轴安装，同轴安装的两种联接方式，从传动联结方式分为刚性连结和柔性联接，波纹管联接为柔性联接，橡胶套联接为刚性联接，结构简单，与主轴直接联接。但缺点是与主轴的联接较困难，原主轴孔将被遮挡，无法进行穿越主轴孔工件的加工。异轴安装，是通过齿轮或同步齿形带联接的两种方式，齿轮联接结构简单，联接方便，且成本低。但缺点是易引起同轴度误差，制造和安装精度要求较高，有时会造成信号失真，甚至造成编码器的损坏。采用同步带 传动，可有效克服普通传动齿轮的缺点,由于同步带的柔性联接，传动精度高，制造安装方便。目前市场上的数控车床光电编码器很多，根据加工精度的要求，可选用广西博盈达(原柏菱达)数控设备有限公司(广州数控成套设备经销商) 生产的数控车床主轴编码器B-ZXF。六、导轨的改造数控机床进给运动导轨要有更高要求。普通车床导轨大多采用的是滑动导轨，其动、静摩擦系数大，使用一段时间后都会有不同程度的磨损，对机床传动精度和其保持性带来很大的影响。因此在对其进行数控化改造时机床导轨也要进行必要的改造。目前普通车床数控化改造，比较经济可行的方法是贴塑导轨7，即在金属导轨滑动面上贴上一层抗磨塑料软带（聚四氟乙烯软带），与之相配的金属导轨滑动面需磨削和淬火处理。聚四氟乙烯软带一般贴在动轨上。带塑料层的滑动导轨具有磨擦系数低，低速进给时不爬行，且动、静磨擦系数差值小，有高的运动灵敏性；减振性好，具有良好的的阻尼性，高速进给时不振动；耐磨性好，有自润滑作用，精度保持性好；结构简单、维修方便、成本低等特点。七、自动回转刀架的选型卧式车床数控化应将原车床的普通手动转位刀架替换成自动转位刀架8。自动转位刀架由数控系统控制，一次装夹可以加工几道工序，效率高，工艺性能可靠，其原理图如图3-9所示。根据性价比原则，可采用南京大地数控有限公司生产的LD4ck0620四方刀架，如图3-10所示。刀架安装在原机床小刀架的位置上较为合适。刀架的动作顺序如下:电动机(三相异步微型电动机)减速机构(蜗轮蜗杆)上升机构 (螺旋机构)刀架旋转电器信号确定(霍尔元件)电机反转粗定位(反靠盘)刀架下降精定位刀架锁紧换刀终了信号执行加工程序。图3-9图3-10 LD4ck0620四方刀架外形及结构图 LD4型系列立式电动刀架采用涡轮蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的优点。发信转转位采用霍尔元件，使用寿命长。并且完全满足刀架设计使用的要求，即A夹紧力在4000N 以上,B需要进行四个方位的转换选择,C重复定位精度不大于0.005mm。结束语本设计机械部分的设计和电机的选用校验是主要的设计。控制系统设计是根据以往经验和现有技术来选用现有控制系统，在本文只做简单的设计说明。本设计的优点在于改造成本相对较低，操控起来相对比较简便，驱动元件使用饲服电机侧重于加工过程中数控进给的精度和稳定性，机床在改装后整体上已能满足普通车床改造后加工零件的精度要求。不足之出在于：1.机床改造部分不是很全面，比如主轴箱就没进行改造，因此在编程加工中如果需要换刀改变主轴转速，在自动换好刀之后，需要程序自动暂停一下，进行手动变速之后才能继续加工。在本次毕业设计过程中，得到了曾老师很大的帮助和指点，此表示真诚的感谢。参考文献1陈婵娟主编.数控车床设计.化学工业出版社,2006.22张勇，朱朝宽主编.车床数控化改造实例. 机械工业出版社，2012.4 P31383秦大同,谢理阳主编.机电系统设计. 化学工业出版社,2013.3 P8148184张建民 机电一体化系统设计 北京：北京理工出版社 1996.8 P2562645 张勇，朱朝宽主编.车床数控化改造实例. 机械工业出版社2012.4 P22256朱自勤主编.机床数控电气控制技术. 中国林业出版社，2006.1 P57657文怀兴,夏田编著.数控机床系统设计. 化学工业出版社，2005.5 P2382398陈蔚芳,王宏涛主编.机床数控技术及应用. 科学出版社，2006.1 P314316