C616型普通车床数控化改造

普通车床改造为经济型数控车床 摘要 随着科学技术的迅猛发展，数控机床已经成为衡量一个国家 机械制造 工业水平的重要标志。采用经济型数控系统对普通机床进行数控化改造，尤其适合我国普通机床拥有量大，生产规模小的具体国情。机电一体化技术涉及机械、电子、以及控制等多门学科，是现代 工业最主要的基础技术和核心技术之一，是衡量一个国家机械装备发展水平的重要标志。虽然这门学科还正处于发展阶段，许多理论还处于研究和完善阶段，但是它代表着机械工业技术革命的前沿方向，是综合国力的又一具体体现。因此，我们应该重视该学科的研究，并大力发展这门学科，逐渐缩小与日美等发达国家的差距。本次设计是对 通车床的数控化改造。在国内，盛行普通车床改造成数控车床，此设计就是针对着这以目的而设计的，这就降低了生产成本，缩短了工业化的进程，同时为广大的生产厂家所接受。此设计主要是结合国内的具体国情，针对于广大的 用户所设计的。远远比不上那些外国的设备所达到的精度。当然，时代在发展，随着我国的正和国力迅速攀升，在不久的将来那些精度要求比较高的数控设备一定出现在中国的大部分企业中。 关键字：数控改造 机电一体化 国情 学科研究 s a to on a to to a to in to of of a to a is of of is a of is be in a a in it of a is of we of to of is to to a to a to is to at of is a in is to of at at of is in of in of to an he a of 言 本课题是围绕将普通机床改造成经济型数控机床展开设计的，经济型数控机床是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行改造，实现数控化、自动化。经济型数控机床系统就是结合现实的的生产实际，结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。价格便宜 、性能价格比适中是其最主要的特点，特别适合在设备中占有较大比重的普通车床改造，适合在生产第一线大面积推广。企业应用经济型数控型系统对设备进行改造后，将提高产品加工精度和批量生产的能力，同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竞争能力。 利用微机改造现有的普遍车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给加工车床，即经济型数控车床。 进行数控机床的改造是非常有必要的。数控机床可 以很好地解决形状复杂、精密、小批量及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产效率，但是数控机床的运用也受到其他条件的限制。如：数控机床价格昂贵，一次性投资巨大等，因此，普通车床的数控改造，大有可为。它适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。第一章 经济型数控机床 经济型数控机床是指具有针对性加工功能但功能水平较低且价格低廉的数控机床，它主要是由机械和电气控制两大部分组成，其故障按故障源可分为机械故障和控制系统故障两类；按运行情况分有不 运行类，运行加工尺寸超差无规则类和运行加工尺寸超差有规则类等；就其数控系统而言又可分为硬件故障，软件故障和干扰故障三大类。 (1)数控机床的产生 随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，因此对加工机械产品零部件的生产设备 机床业相应地提出了高性能、高精度与高自动化的要求。在机械产品中，单件与小批量产品占到 70%80%，这类产品一般都采用通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需要作相应的变换和调整，而且通用机床的自动化程度不高，基本上 需要人工操作，难以提高生产效率和保证生产质量。特别是一些由曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，难以提高生产效率和保证生产质量。特别是一些由曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线样板手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。 数字控制机床就是为了解决单件、小批 量，特别是复杂型面零件加工的自动化，并保证质量要求而产生的。 2、数控机床的发展简史 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机。 6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床 产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六个的发展。 第一阶段：数控阶段（ 1952 年 1970 年）。早起采用数字逻辑电路组合成一台机床，专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控，简称为数控。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即 1952年的第一代 电管时代； 1959年的第二 代 晶体管； 1965年的第三代 小规模集成电路时代。 第二阶段：计算机数控阶段（ 1970现在）。到 1970 年，通用小型计算机作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控阶段。到 1971 年，美国 司第 一次将计算机的两个最核心的部件 运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器，又可称为中央处理单元。 到 1974年，微处理器被应用于数控系统。到了 1990年， 8 位、 16 位，发展到 32 为，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入 了基于 之，计算机数控的发展也经历了第三代。即 1970年的第四代 小型计算机； 1974年的第五代 微处理器和 1990 年的第六代 基于 须指出，数控系统发展到了第五代以后，才从根本上解决了可靠 性低、价格极为昂贵、应用很不方便等极为关键的问题。因此，数控技术经过了近 30 年的发展才走向普及应用。 数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有以下明显特点： 1. 适合于复杂异形零件的加工 数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船 、 模具 等加 工业中 得到广泛应用。 2. 加工精度高 3. 加工稳定可靠 实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。 4. 高柔性 加工对象改变时，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统 5. 高生产率 数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为普通机床的 3 5 倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。 6. 劳动条件好 机床自动化程度高，操作人员劳动强度大大降低 ，工作环境较好。 7. 有利于管理现代化 采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。 8. 投资大，使用费用高 9. 生产准备工作复杂 由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂，包含工艺确定、程序编制等。 10. 维修困难 数控机床是典型的机电一体化产品，技术含量高，对维修人员的技术要求很高。 控机床的适用范围 由于数控机床的上述特点，适用于数控加工的零件有： 1. 批量小而又多次重复生产的零件； 工； 对以上零件采用数控加工，才能最大限度地发挥出数控加工的优势。 数控车床的正常使用必须满足如下条件，机 床所处位置的电源电压波动小，环境温度低于 30摄示度，相对温度小于 80%。 机床位置环境要求 机床的位置应远离振源、应避免阳光直接照射和热辐射的影响，避免潮湿和气流的影响。如机床附近有振源，则机床四周应设置防振沟。否则将直接影响机床的加工精度及稳定性，将使电子元件接触不良，发生故障，影响机床的可靠性。 电源要求 一般数控 车床安装在机加工车间，不仅环境温度变化大，使用条件差，而且各种机电设备多，致使电网波动大。因此，安装数控车床的位置，需要电源电压有严格控制。电源电压波动必须在允许范围内，并且保持相对稳 定。否则会影响数控系统的正常工作。 温度条件 数控车床的环境温度低于 30摄示度，相对温度小于 80%。一般来说，数控电控箱内部设有排风扇或冷风机，以保持电子元件，特别是中央处理器工作温度恒定或温度差变化很小。过高的温度和湿度将导致控制系统元件寿命降低，并导致故障增多。温度和湿度的增高，灰尘增多会在集成电路板产生粘结，并导 致短路。 控机床改造的意义 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省 60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的 1/3。即使 将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床 60%的费用，并可以利用现有地基。 原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。 3. 提高生产效率。 机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5 倍。对复杂零件而言，难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装， 不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。 于数控机床实现自动化或半自动化加工，许多辅助动作均由机床完成，因此工人的劳动量减少。 5能适应不同零件的自动加工。数 控机床是按照别加工零件的数控程序来进行加工的，当改变加工零件时，只要改变数控程序，不必用凸轮、靠模、样板或钻镗模等专用工艺装备。因此，产生准备周期短，有利于机械产品的更新换代。 控机床几乎可以实现任何轨迹的运动和任何形状的空间曲面的加工，如用普通机床难以加工的螺旋桨。汽轮机的叶片等空间曲面，采 用数控机床则能较好地完成这些曲面的加工。能实现复杂型面加工是数控机床较突出的优点。 一、设计方案的确定 车床是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通车床。实践证明，把这种车床改造为数控车床，已经收到了良好的经济效果。 （一） 设计任务 本设计任务是对 通车床进行数控改造。利用微机对纵横进给系统进行开环控制。纵向脉冲当量为 冲，横向脉冲当量为 冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。 (二 )总体设计方案的确定 由于是经济型数控改造 ，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能减少，以降低成本 616 车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为 :采用微机对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出步进脉冲。经一级齿轮减速后 ,带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。 二、机械部分改造设计与计算 1 纵向进给系统的设计 经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。对车床改造来说，外观不必象产品设计要求那么高，而从改造方便、 实用方面来考虑，一般把步进电机放在纵向丝杠的右端。 2 纵向进给系统的设计计算 已知条件： 工作台重量： W=800N(根据图纸粗略计算 ) 时间常数： T=25珠丝杠基本导程： 程： S=640冲当量： p=距角： =： mm/1)切削计算 由机床设计手册可知，切削 功率 K 式中 N 电机功率，查机床说明书， N=4 主传动系统总效率，一般为 = K 进给系统功率系数，取为 K= 则： 因为 120 式中 v 切削线速度，取 v=100m/ 主切削力 ) 由金属切削原理可知，主切削力 z 表得： 88 则可计算 表（ 1）所 示： 表（ 1） ap(2 2 2 8 8 8 f(Z(N) 1125 1524 1891 1687 2287 2837 当 520N 时，切削深度 走刀量 f=此参数做为下面计算的依据。 从机床设计手册中可知，在一般外圆车削时： （ ： Z=Y=Z=2)滚珠丝杠设计计算 综合导轨车床丝杠的轴向力： P=f () 式中 K=f =为 则 P=(00)=) 强度计算： 寿命值 11060 01000 取工件直径 D=80 表得 T I=15000h 则： =20r/1=610150002060 =18 最大动负载 Q=Hw 查表得： 运转系数 硬度系数 则 Q=318 1 据最大动负载 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 列，滚珠丝杠直径为 32号为 6 5 额定动载荷是 10689N，所以强度足够用。 2）效率计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为： =)( 摩擦角 =10 螺旋升角 =3 25 则 =)10253( 253 tg 度验算：滚珠丝杠受到工作负载 P 引起的导程的变化量 E=166N/ 滚珠丝杠截面积 F=(2d)2 =（2 8 0 3 5 026 = 10 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 小 ,可忽略 ,即： L= 以： 导程变形总误差为 = 0100=10m/m 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（ 1m 长）为 15 m/m，故刚度足够。 4）稳定性验算：由于机床原丝杠直径为 30选用的滚珠丝杠直径为 32 承方式不变，所以稳定性不存在问题。 (3)齿轮及转距的有关计算 1）有关齿轮 计算 传动比 i=3600=取 2 0 m=2 b=20 =20 d1=m 32=64mm m 40=80mm =268mm =84 =2 21 =28064=72 2) 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： 2W=()2 80= 2 = 2 丝杠的转动惯量： 1010 2= 2 齿轮的转动惯量 ： 102= 2= 2 1084 2= 2= 2 电机转动惯量很小可以忽略。 因此 ,总的转动惯量： J=21i ( 2= 2 3）所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 M=大切削负载时所需力矩 M=速进给时所需力矩 M= 中 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； 折算到电机轴上的摩擦力矩； 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩； 切削时折算到电机轴上的加速度力矩； 折算到电机轴上的切削负载力矩。 0m 当 n= Ma 6 =4 10m= f 当 n= at 01000i =10 00 = 10m= f 2 00=2 0 当 0= f = = f =2 0(12) 当 0=预加载荷 1 M0=6)1( 200 = 6 2 = f = Mt=2 00=6 = f = 所以 , 快速空载启动时所需力矩： M= f = 切削时所 需力矩 ： M= f = 快速进给时所需力矩 ： M= f = 由以上分析计算可知： 所需最大力矩 f = (二 )横向进给系统的设计和计算 1. 横向进给系统的设计 经济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单 ,一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠 ,使刀架横向运动。 步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。 2横向进给系统的设计和计算 由于横向进给系统的设计和计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。 已知条件： 工作台重（根据图纸粗略计算） W=30 f=300N 时间常数 T=25珠丝杠基本导程 左旋 行程 S=190 脉冲当量 p= /距角 =(1)切削力计算 横向进给量为纵向的 1/2 1/3，取 1/2，则切削力约为纵向的 1/2 f=切断工件时： Z= f=2)滚珠丝杠设计计算 1）强度计算：对于燕尾型导轨： P=f (W) 取 K= f = P=30) = f=命值 111060 610150001560 =大动负载 Q= = = f=据最大动负载 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 列，滚珠丝杠公称直径为 20 ，型号为 4 5 ，其额定动负载为 5393N，所以强度足够用。 2）效率计算：螺旋升角 =3 38，摩擦角 =10 则传动效率 =)( tg 01833( 383 tg ）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 26 = 10 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 小，可忽略， 即： L= 以导程变形总误差为 = 01 0 0 60 查表知 E 级精度丝杠允许的螺旋误差（ 1m 长）为 15 m/m，故刚度足够。 4）稳定性验算：由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。 (3)齿轮及转矩有关计算 1）有关齿轮计算 传动比 i= 故 取 8 0 m =2 b=20 =20 6 0 =40 =64 a=48 2)传动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： 0 4 3 180( 22 2 丝杠的转动惯量： 101024 50= 2 齿轮的转 动惯量： 102= 2 1064 2= 2 电机转动惯量很小可以忽略。 因此，总的转动惯量： J= 53()(1 21122 2 3）所需转动力矩计算 m 64351 0 0 00m a x 4m a x m= f 01 0 0 01 0 0 0001 DL vf iL 主 =41002 = m=f Mf=2 00=2 0 = f = m )(6 202 f = m f = m 所以，快速空载启动时所需转矩： M= f = 切削时所需力矩 ： M= f = 快速进给时所需力矩 ： M= f = 从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时， f = 三、步进电机的选择 (一 ) 步进电机的选择的基本原则 合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在 整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下： 1 步距角 步距角应满足：中 i 传动比 系统对步进电机所驱动部件的最小转角。 2 精度 步进电机的精度可用步矩误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值。用积累误差衡量精度比较实用。所以选用不进电机应满足 Q i s 式中 Q 步进电机的积累误差； s 系统对步进电机驱动部件允许的角度误差。 3转矩 为了使步进电机正常运行（不失步、不越步），正常启动并满足对转速的要求，必须考虑： 1）启动力矩 一般启动力矩选取为： 0 电动机启动力矩； 电动机静负载力矩。 根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表（ 2）所示。 步进电机技术数据中给出的。 表 (2) 步进电机相数、拍数、启动力矩表 运行 方式 相数 3 3 4 4 5 5 6 6 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12 ）在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。 3 启动频率 由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： m 式中 极限启动频率； m 要求步进电机最高启动频率。 （二）步进电机的选择 1 向进给系统步进电机的确定 = 04 0 。 为满足最小步矩要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： 以步进电机最大静转矩 步进电机最高工作频率 m a x z 综合考虑，查表选用 110直流步进电机，能满足使用 要求。 4 向进给系统步进电机的确定 = 电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知： 以，步进电机最大静转矩 2 N 步进电机最高工作频率 m a x z 为了便于设计和采购，仍选用 110直流步进电机，能满足使用要求。 四、机床导轨改造 卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿 着机床导轨面运动的。导轨就是支承和导向，即支承运动部件并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定的方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工精度、承载能力和使用性能。 数控机床上，常使用滑动导轨和滚动导轨。滚动导轨摩擦系数小，动静摩擦系数接近，因而运动灵活轻便，低速运行时不易产生爬行现象。精度高，但价格贵。经济型数控一般不使用滚动导轨，尤其是数控改造，若使用滚动导轨，将太大增加机床床身的改造工作量和改造成本。因此，数控改造一般仍使用滑动导轨。 滑动导轨具有结构简单，刚性好，抗 振性强等优点。普通机床的导轨一般是铸铁 铸铁或铸铁 淬火钢导轨。这种导轨的缺点是静摩擦系数大，且动摩擦系数随速度的变化而变化，低速时易产生爬行现象，影响行动平稳性和定位精度，为克服滑动导轨的上述缺点，数控改造一般是将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。 贴塑导轨摩擦系数小，且动静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、抗咬伤能力强、加工性和化学性能稳定，且 有良好的自润滑性和抗振性，加工简单，成本低。 目前应用较多的聚四氟乙稀（ 塑软带，如美国生产的 B 和我国生产的 带材料，次、此种软带厚度为 、 、 等几种规格。考虑承载变形，宜厚度小的规格，如果考虑到加工余量，选用厚度为 为宜。 贴塑软带粘贴工艺非常简单，可直接粘结在原有的滑动导轨面上，不受导轨形式的限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘结。粘结前按导轨精度要求对金属导轨面进行加工修理。根据导轨尺寸长度放大 3 4 ，切下贴塑软带。金属粘结面与软带结面应清洗干净，用特殊配制的粘合剂粘结，加压固化，待其完全固化后进行修整加工。作为导轨面的表面，根据需要可进行磨、铣、刮研、开油槽、钻孔等加工，以满足装 配要求。 五、自动转位刀架的选用 自动转位刀架的选用是普通机床数控改造机械方面的关键，而由数控系统控制的自动转位刀架，具有重复定位精度高，工件刚性好，性能可靠，使用寿命长以及工艺性能袄等优点。 经济型数控车床的自动刀架，在生产中最常用的是常州武进机床数控设备厂生产的系列刀架，具有重复定位精度高，工作刚性好，使用寿命长，工艺性能好等优点达到国内先进水平，在生产中大量使用。现选用常州武进机床数控设备厂生产的 工型系列四工位自动刀架。 配刀架。 刀架技术参数： 刀位数： 4 电动功率： 60W 电机转速 ： 1400r/紧力： 1t 上刀体尺寸： 152 152 下刀体尺寸： 161 171 技术指标：重复定位精度： 工作可靠性： 30000 次 换刀时间： 90 180 270 、经济型数控机床改造时数控系统选用 数控系统是一台数控机床的核心。对系统的选择在机床数控改造中是至关重要的 现从系统的经济性和实用性选择为开环伺服系统为 15T。 现将该经济性数控系统性能参数列表如下： 1 生产厂家 南京微分电机厂江南 机床数控工程公司 2 用户容量 24K 3 设定单位 X= Z= 控制轴数 X、 Z 两轴 5 联动轴数 二轴 6 编程尺寸 快速 (X/Z)向 316/ 8 G 功能 22 32、 92 9 M 功能 0 S 功能 1 T 功能 2 步进电机 220V 10%503 控制精度 1 步 14 功耗 W 360 15 环境温度 0 40 C 16 相对温度 80%（ 25 C） 17 外形尺寸（） 340 400 220 18 系统重量 17 、典型零件的工艺设计及应用程序编制 所需加工零件的材料为 45号钢，加工零件如下图所示： 割槽刀镗刀螺纹刀外形刀刀具类型刀号其余 2 4 5 4 0 0 . 0 5 （一）工艺分析 1、该零件分七个工步来完成加工，即先用 16 的麻花钻来钻孔；再粗车外圆；第三步粗镗孔；第四步精镗内孔；第五步精车外圆；第六步车 螺纹（螺距 F=最后切断。 2、较为突出的问题是如何保证 38、 18 和长度 50的尺寸公差，长度方向的中间凹槽，粗车、粗车刀的副偏角大于 45，棒料伸出三爪卡盘 65 3、选择 01号车刀（副偏角大于 45）， 02 号螺距纹刀、 03号内孔镗刀， 04号割槽刀共四把刀。 4、 边粗车吃刀量 U=次，精车余量 边粗车吃刀量 1=1,车余量 （二）工件坐标系的 设定 选取工件的右端面的中心点 （三）手动钻孔 夹好工件，用 16 的麻花钻手动钻孔，孔深 55 （四）编制加工程序