普通车床数控化系统改造方案

西 飞 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 题 目：CW61100普通车床数控化改造Z向 专 业： 数 控 技 术 班 级： 学生姓名： 耿 召 指导教师： 年 月 日目 录CW61100普通车床改造的原因（2）改造方案的确定（2）机械部分改造（3）安装调整过程中应注意的问题（6）数控系统及伺服系统的改造（7）功能的确定及分布（9）机床的调试及验收（9）改造后取得的效果（11）设计小结（11）参考资料（12）1、 CW61100普通车床改造的原因数控机床与普通机床相比较的特点： 1、能完成很多普通机床难以加工、或者根本不能加工的复杂型面零件的加工。 2、采用数控机床，可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量。 3、可以提高生产率，采用数控机床比普通机床可提高生产率23倍，对复杂零件的加工，生产率可提高十几倍甚至几十倍。 4、具有柔性，只需更换程序，就可适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工。 5、大大减轻了工人的劳动强度。 可以看出，数控机床是一种高效率、高精度、能保证加工质量，解决工艺难题，而且又具有一定柔性的生产设备。数控机床的广泛使用，将给机械制造业的生产方式、产品结构和产业结构带来深刻的变化，其技术水平高低和拥有量的多少，是衡量一个国家工业现代水平的重要标志。CW61100普通车床是我国天津机床厂1974年生产的大型车床，在贵阳车辆厂已使用近30年。主要用于加工机车轮毂的外圆、端面、多曲率圆弧处，由于该设备使用近30年，机械精度已严重下降，加之多情曲率圆弧处的加工质量要靠样板修整来保证，工人的劳动强度大，已难以保证产品的加工质量。随着新机车的发展，对机车轮毂的要求越来越高，多曲率圆弧处的曲率变化也越来越多。先使用的普通车床已无法满足生产加工要求，必须更新设备，经多方面比较、认为对CW61100普通车床进行数控化改造比重新购买新设备可节约资金近10万元。因此决定对CW61100普通车床进行数控化改造，以满足新型机车轮毂的加工要求。二、改造方案的确定1、新型机车轮毂的外形特点及加工要求： 新型机车轮毂的外形有多曲率圆弧处、外圆和端面及倒角做、组成，并且多曲率变化圆弧处加工精度要求高，加工难点主要是多曲率变化圆弧处；因此要求该设备改造后，该设备的Z向必须具有联动功能，由于该零件较大、重约500KG，因此对主轴转速要求不高，要求主轴以一定的转速旋转固定不变。2、 数控化改造方案的确定 数控化改造方案的内容：系统运动方式的确定；数控控制系统的选择；伺服系统的选择；执行机构的结构；机械传动方式确定及机械精度的修复等内容。应根据设计任务和要求进行调研，查阅技术资料，提出该造的总体方案，并对方案进行分析比较和论证。控制系统的选择 根据新型机车轮毂的外型特点及加工要求，经对西门子数控系统比较，确定选择西门子802C控制系统，对该设备的Z向进行控制；并实现Z向的联动。伺服系统的选择 根据改造后该设备加工零件的精度要求，确定选择编码器半闭环控制系统。执行机构的结构的选择 执行机构的结构选择西门子伺服控制电机。机械传动方式的确定 机械传动方式采用滚珠丝杠副加一级同步带减速装置进行运动和力的传递。机械精度的修复 机械精度的修复主要指Z向导轨精度的修复。3、 机械部分改造1、Z向进给机构的改造。拆除原机床的进给箱，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装滚珠丝杠丝母固定支撑架。滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端采用固定方式支撑，中间加辅助支撑，以提高滚珠丝杠的刚性。动力传动采用伺服控制电机加同步带减速装置传递给滚珠丝杠副，实现Z向进给运动。伺服电机安装在机床的尾部。由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使Z向进给整体刚性略优于未改造前。2、电动刀架的安装利用原小刀架位置通过垫板安装电动机刀架，以保证刀具刀点和主轴中心处于同一平面。3、 机械部分改造设计部分与相关计算（1）Z坐标传动最快运行速度Vmax计算：电机最快转速：r=2000转/min传动减速比： n=3滚珠丝杠螺距：p=10mm根据公式： Vmax=rp/n得 Vmax=200010O.OO1/3 =6.67m/min 由于X向滚珠丝杠螺距为5mm，故Z轴最大进给速度为6.67 m/min；（2）负载转动惯量的估算： 由于Z坐标的传动减速比都是n=3；所以折算到电机轴上的转动惯量可按下式估算: JF=J1+J2+J3+JK JF折算到电机轴上的转动惯量（kgcm2） J1联轴节的转动惯量（kgcm2） J2丝杠的转动惯量（kgcm2） J3联轴节的转动惯量（kgcm2） n 减速比 （n=3） JKZ向电机转子的转动惯量（kgcm2） 对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式进行计算： J=7.810-4D4L D圆柱零件的直径(cm) L零件轴向长度（cm） 通过计算得： J1=1.16kg.cm2 J2=43.41kg.cm2 J3=2.78kg.cm2 JK=6.68kg.cm2 故总惯量 JF=54.03kg.cm2（3）切削力与切削功率计算 利用下面公式： 切削功率 Pc=PK P电机功率18KW 传动效率0.8 K功率系数0.96 计算切削功率得： Pc=13.824KW （4）Z向摩擦阻力的估算 Z向运动部件自重约：400kg Z向运动部件之间摩擦系数（铸铁对铸铁）：0.18 Z向摩擦阻力；FMZ=40000.18=720N（5）切削功率的计算 切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力（或扭矩）和最大切削速度（或转速）来计算，即 Pc=(FZv10-3)/60 或 Pc=Tn/9550 式中 FZ主切削力（N）； v切削速度（m/min）； T切削转矩（Nm）； N主轴转速（r/min）。 取v=400m/min FQ=60Pc103/v=6013.824103/400=2073.6N 在一般外圆车削时取Z向分力为: FZQ=0.6FQ=1244.16N（6）Z向坐标运动时的工作阻力 Z向坐标运动时的工作阻力： FZ= FMZ+FZQ =720+1244.16=1964.16N（7）电机扭矩的计算 根据公式 Pc=60Pc103/v和Pc=Tn/9550 得 T=9550FZv10-3/(60n)=12.613Nm 选18Nm电机适合。四、安装调整过程中应注意的问题 1、利用垫片调整丝杠副的间隙时，应使调整后产生的预紧力为丝杠副最大负载的1/3为宜。在实际调整中，可以把车床处于最大工作负载，使丝杠内部仍不产生轴向窜动，或者轴向窜动量小于0.02mm，而且运动灵活，并以此作为丝母间隙调整装置预紧量的判断标准。 2、调整向心推力球轴承的间隙时，应使丝杠的轴向窜动不大于0.02mm。在实际调整中，可以调整两个向心推力球轴承之间的内外隔环的厚度来调整轴承的游隙，进而消除丝杠的轴向窜动，已达到更高的传动精度。由于轴承安装的好坏与否，将影响到轴承的精度、寿命和性能。因此应按如下操作标准进行轴承安装： (1)、清洗轴承及相关零件。对已经脂润滑的轴承及双侧具有油封或防尘盖、密封圈的轴承安装前无需清洗。 (2)、检查相关零件的尺寸及精加工情况。 (3)、安装方法：轴承的安装应根据轴承结构、尺寸大小和轴承部件的配合性质而定，压力应直接加在紧配合的套圈端面上，不得通过滚动体传递压力，轴承安装一般采用以下几种方法： 、压入配合：轴承内圈与轴是紧配合，外圈与轴承座孔是较松配合时，可用压力机将轴承先压将在轴上，然后将轴连同轴承一起装入轴承座孔内。 、加热配合：通过加热轴承或轴承座，利用热膨胀将紧配合转变为松配合的安装方法。是一种常用 和省力的安装方法。此法适合于过盈量较大的轴承的安装。 、圆锥孔轴承的安装：圆锥孔轴承可以直接装在有锥度的轴颈上，或装在紧定套和退卸套的锥面上，其配合的松紧程度可用轴承径向游隙减小量来衡量。因此，安装前应测量轴承径向游隙，安装过程中应经常测量游隙以达到所需要的游隙减小量为止。安装时一般采用锁紧螺母安装，也可采用加热安装的方法。 、推力轴承的安装：推力轴承的轴圈与轴的配合一般为过渡配合，座圈与轴承座孔的配合一般为间隙配合，因此这种轴承较易安装，双向推力轴承的中轴圈应在轴上固定，以防止相对于轴转动。 3、滚珠丝杠副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂，都是由专业工厂按系列化进行生产的。因此，在进行设备改造时，要按厂家的生产标准进行选择。选择到合适的丝杠后，再决定被改造设备的其他相关部分的结构和尺寸。五、数控系统及伺服系统的改造 CW61100车床主轴电机采用原来的主轴电机，并采用微机控制其启动和停止。对机床X轴进行伺服驱动，数控自动控制。机床改造后X轴采用半闭环调速控制，控制比较精确。 1、整个改造工作的流程 (1)改造方案的总体设计，数控系统选型、订购。 (2)系统柜设计制作。 (3)数控系统和电气系用柜内安装到位。 (4)数控系统和电气系统连线，以及和机床，机床系统柜的连线。 (5)电机及限位开关，润滑油泵电机，主轴电机，冷却液泵电机，照明工作灯与系统连接。 (6)电机和机床连接盖板的设计。 (7)梯形图编写，机床参数确定。 (8)调试，并试切验收零件。(9)文件整理、交接。 其中改造方案的总体设计有以下原则： 、功能改造后的数控机床应具有何种功能。目前市场上可购置的数控系统基本上可以满足用户的绝大部分功能需要。但有些特殊功能仍需要在订货时加以声明，例如数字仿形功能、自动测试功能等。并以功能需求出发来订购数控系统和伺服系统。 、规模根据实际要求确定改造档次。一般进口设备仍用进口数控系统改造；国产设备仍用国产数控系统改造。根据功能确定I/O点数。根据经常存储的零件加工程序的数量确定存储器的容量。根据机床大小、进给速度、吃刀量来确定电机功率。 、资金投入时应考虑投入产出的比例以及周期 、精度改造前机床的精度应有一定的要求，精度太低就没有必要改造，可考虑更新。 、习惯制定改造方案时应考虑改造前后操作、编程的可继承性，对面板的设计和屏幕的位置要考虑操作者的习惯。对数控系统品牌的选择要考虑使用单位的一致性，以达到培训、维护等方面的便利。 经过上述诸方面因素综合考虑，才能制定出改造的总体方案。数控改造班子一般以4-5人为宜。分别涉及机械改造、电气布线、PLC编程等主要领域。最好有使用人员的配合。改造班子里最好有一名专家，从总体规划、选型、订货、资料准备（翻译）、布线、PLC编程、机械改造、调试、验收以指导工作结束做出安排，并协调各个方面的工作，这样往往可以缩短改造周期，并保证工程质量。 2、 机电匹配计算机电匹配计算是总体设计，在选型订货前首先应考虑的问题。有些情况当然可以根据旧机床的参数作相应参考。但最好还是能做一些匹配计算或估算，以免改造失败。 3、 快行速度的核算快行速度是数控化改造后的重要指标，一般意义上来说和电机最高转速、丝杠螺距、传动比等有关。4、精度估算 精度估算至少包括两个方面，一方面为丝杠精度，一般在产品手册中标明在多少毫米范围内存在多少误差；第二方面应为机械传动环节因机械热变形引起的位置误差。最后通过坐标轴校准（螺距补偿）对精度进行补偿，达到预期的效果。六、功能的确定及分布 一台改造以后的数控机床的功能有两类。一类是数控系统制造商提供的功能。早期的数控机床是通过键盘命令形式，而现代的数控机床则主要通过软键菜单形式提供，例如零件加工程序输入、编辑、存储功能、图形功能、刀补以及坐标零点设置功能，调用一个零件加工程序准备切削加工等等。另一类功能是机床厂家或使用单位根据数控系统制造商提供的窗口二次开发后形成的功能。它主要通过机床操作面板和可编程控制器软件提供。例如启动、停止、自动操作按钮、速率超调、主轴启停、冷却润滑开关等等。对最终用户而言，往往没有必要去分清到底是哪一类功能。应该说第一类功能是死的，而第二类功能是活的。 本次数控化改造是对一台旧机床的改造，它离不开原机床的环境，不是一种从零开始的过程。在这种背景下，考虑功能的分布必须顾及原有的环境。 考虑的因素如下：(1)人机工程 改造后的机床应方便操作、环境友好。因此应该将机床的操作面板及显示屏安排在最合理的位置。(2)节省开支 在实现功能的基础上，尽量采用原有的机构和部件。(3)照顾习 在设计新的机床面板时，应尽量考虑保持原机床操作按钮的功能设置，有时需要保留一些手动按钮以方便操作人员使用。七、机床的调试及验收 机床改造完毕后，还应该对其进行安装调试及验收。一般来说，应特别注意安装的位置和基础，使机床处于良好稳定的工作环境。其次是全面检查各器件、插件的连接情况以及各油路、电路的情况，再进行数控系统的连接。当完成数控系统的调整，具备了机床联机通电试车的条件，可切断数控系统的电源，连接电动机的动力线，恢复报警设定，准备通电试车。试车的目的是考核机床的安装是否稳固，各传动、操纵、控制、润滑、液压、气动等系统是否正常和灵敏可靠。改造后的数控机床的验收是和安装调试工作同步进行的。一台机床数控改造完好后的检测验收工作是一项复杂的工作，其试验检测手段及技术要求也很高，它需要使用各种高精度的仪器，对机床的机、电、液、气各部分及整机进行单项性能综合性能检测，包括运行刚度和热变形等一系列试验，其中应特别注意机床数控功能的检验，最后得出该机床的综合评价。数控机床开机，调试应按下列的步骤进行： 1、 调试前准备 机床调试前，应首先调整机床床身水平位置，粗调机床主要几何精度。之后，按照要求加装润滑油、液压油、切削液，接通外接气源等。 2、 机床通电试车机床通电试车一般采用各部件分别通电试验后，再作全面供电试验，检查机床主要部件功能是否正常齐全，使机床各部件都能操作运动。 3、 机床精度和功能的调试1、使用精密水平仪等检测工具，主要通过调整垫铁的方式精调机床主床身的水平，使机床几何精度达到允许公差范围；2、机床调整完毕后，仔细检查数控系统和可编程控制器中参数设定值是否符合随机指标中规定的数据，然后试验各主要操作功能、安全措施，常用指令执行情况等。3、检查机床辅助功能及附件的正常工作。四、机床试运行试运行是指数控机床在带有一定负载的条件下，经过较长时间的自动运行，比较全面地检查机床功能及工作可靠性的过程。在此过程中，除操作失误引起的故障外，不允许机床有其它故障出现。 试运行中采用的程序叫考机程序，可以采用随箱技术文件中的考机程序，也可自行编制一个考机程序。一般考机程序中应包括： 1、每个坐标的全部运动 2、数控系统主要功能 3、主轴最高、最低及常用转速 4、快速及常用的进给速度八、改造后取得的效果通过对CW61100普通车床的数控化改造取得的效果主要如下： 1、提高机床加工精度，稳定产品加工质量。 2、降低了操作者的劳动强度，提高了工作效率。改造后X、Z项进给速度提高200%。 3、节省了新设备购置成本，降低了生产的成本。 通过对CW61100数控化改造，取得了明显的效果，新型机床轮毂的外型多曲率圆弧处加工精度、一致性有较大的提高，提高产品的质量；产生了较大的社会效益和经济效益，对今后普通设备进行数控化提供了一定的经验。九、设计小结此次对CW61100普通车床的数控化改造主要是针对该机床经常加工大批量的单一零部件的需要。改造后解决了该零件加工精度、加工效率不高的问题，降低了操作者的劳动强度，提高了零件的加工速度，降低了零件生产的成本。另外，此次改造避