CA6132普通车床数控化改造.doc

毕 业 论 文 CA6132CA6132 普通车床数控化改造普通车床数控化改造 目目 录录 摘摘 要要 I 1 引言引言 1 2 数控机床简介数控机床简介 2 3 机床数控化改造的意义机床数控化改造的意义 4 4 CA6132 普通车床数控化改造普通车床数控化改造 5 4 1 问题的提出问题的提出 5 4 2 改造的主要内容改造的主要内容 5 4 3 机械部分的改造机械部分的改造 6 4 3 1主传动系统的改造 6 4 3 2滚珠丝杠和伺服电机的选择计算 8 4 3 3伺服驱动器的选用 16 4 3 4刀架部分的改造 19 4 4 数控部分的改造数控部分的改造 21 4 5 检验 调试检验 调试 25 5 结束语结束语 26 6 参考文献参考文献 27 I 摘摘 要要 数控机床 Numerical control machine tools 是一种利用数字化的信息对机 床运动及加工过程进行控制的机床 它是一种典型的机电一体化产品 而目前 我国机床数控化率且不足 3 与美国 日本 德国等发达国家还存在很大差距 用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差 品种少 成本高 供货期长等问 题 因此为了提高产品的竞争力 必须大力提高机床的数控化率 本文以 CA6132 普通车床的数控化改造为例 介绍了机床数控化改造的方法 包括其 结构的设计 性能与精度的选择以及最后改造方案的确定 关键词 数控 改造 车床 柳州职业技术学院毕业论文 引言 1 1 引言引言 进入 21 世纪 我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发 的制造装备发展的良机 也遭遇到加入 WTO 后激烈的市场竞争的压力 据调查 显示到目前为止我国数控机床总数已达 13 万台左右 但是我国机床数控化率且 不到 3 故大力提高机床的数控化率将促进我国制造业在国际上的竞争地位 本文主要通过对 CA6132 普通车床的数控化改造的设计学习 介绍了机床 数控化改造的基本方法 包括结构的选用 性能与精度的选择以及最后实施改 造的内容的确定 由于本人也是初学者 知识水平以及实践经验有限 文中难 免存在错误和疏漏之处 敬请老师和同学能给予批评指正 柳州职业技术学院毕业论文 数控机床简介 2 2 数控机床简介数控机床简介 数字控制机床 Numerical Control Machine Tools 简称数控机床 这是一 种将数字计算机技术应用于机床的控制技术 它把机械加工过程中的各种控制 信息用代码化的数字表示 通过信息载体输入数控装置 经运算处理由数控装 置发出各种控制信号 控制机床的动作 按图纸要求的形状和尺寸 自动地将 零件加工出来 数控机床较好地解决了复杂 精密 小批量 多品种的零件加 工问题 是一种柔性 高效能的自动化机床 是典型的机电一体化产品 数控机床一般由下列几个部分组成 数控机床一般由下列几个部分组成 1 主机 它是数控机床的主题 包括机床身 立柱 主轴 进给机构等机械部 件 是用于完成各种切削加工的机械部件 2 数控装置 是数控机床的核心 相当于人的大脑 它包括硬件 印刷电路板 CRT 显示器 键盒 纸带阅读机等 以及相应的软件 用于输入数字化的 零件程序 并完成输入信息的存储 数据的变换 插补运算以及实现各种控 制功能 3 驱动装置 它是数控机床执行机构的驱动部件 包括主轴驱动系统 伺服驱 动系统 主轴电机及伺服电机等 它在数控装置的控制下通过电气或电液伺 服系统实现主轴和进给驱动 当几个进给联动时 可以完成定位 直线 平 面曲线和空间曲线以及曲面的加工 4 辅助装置 指数控机床的一些必要的配套部件 用以保证数控机床的运行 如冷却 排屑 润滑 照明 监测等 它包括液压和气动装置 排屑装置 交换工作台 数控转台和数控分度头 还包括刀具及监控检测装置等 5 编程及其他附属设备 可用来在机外进行零件的程序编制 存储等 与普通机床相比 数控机床有如下特点 与普通机床相比 数控机床有如下特点 1 加工精度高 具有稳定的加工质量 2 可进行多坐标的联动 能加工形状复杂的零件 柳州职业技术学院毕业论文 数控机床简介 3 3 加工零件改变时 一般只需要更改数控程序 可节省生产准备时间 4 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 5 机床自动化程度高 可以减轻劳动强度 6 对操作人员的素质要求较高 对维修人员的技术要求更高 数控机床的优点 数控机床的优点 1 数控机床能缩短生产准备时间 增加切屑加工时间的比率 2 使用数控机床进行生产 加工的零件精度高 产品质量稳定 从而有效的提 高了产品在市场上的竞争力 3 数控机床具有广泛的适应性和较大的灵活性 因此能够完成很多普通机床很 难完成或者根本不能加工的 具有复杂型面 要求高精度的零件的加工 4 许多数控机床如加工中心具有自动换刀功能 使零件一次装夹之后就能够完 成多个加工部位的加工 实现了一机多用 大大节省了设备和厂房面积 5 生产者可以对生产成本进行预算 并对生产进度进行合理的安排 以达到提 高经济效益的目的 6 应用数控机床进行生产 减轻了工人的劳动强度 提高了工人工作的环境质 量 增加了工人的生产积极性 促进了生产 提高了生产效率 柳州职业技术学院毕业论文 机床数控化改造的意义 4 3 机床数控化改造的意义机床数控化改造的意义 制造技术和自动化水平的高低已成为一个国家或地区经济发展水平的重要 标志 而其中最具代表性的就是数控机床 目前 我国是机床生产大国 但不 是机床制造强国 国产机床的发展仍然难以支撑国民经济和国防军工的需要 与世界先进水平相比差距仍然十分明显 因为一方面我国普通机床保有量大 要将普通机床淘汰掉是不经济的 也是不现实的 另一方面 从我国目前生产 状况来看 仍然以生产普通机床为主 然而 用普通机床加工出来的产品普遍 存在质量差 品种少 精度低 成本高 供货期长等缺点 从而使产品在国际 国内市场上缺乏竞争力 这将直接影响一个企业的生产效益以及生存和发展 所以大力提高机床的数控化率已迫在眉睫 有很大的意义 而且普通机床的数 控化改造将会长期存在 并会不断的发展 机床数控改造的意义 机床数控改造的意义 1 节省资金 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 2 性能稳定可靠 因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 4 可以采用最新的控制技术 可以根据技术革新的发展速度及时地提高生产设 备的自动化水平和效率 提高设备质量和档次 将旧机床改造为具有当今水 平的机床 5 4 CA6132 普通车床数控化改造普通车床数控化改造 4 1 问题的提出问题的提出 数控机床作为机电一体化的典型产品 在机械制造业中发挥着巨大的作用 很好地解决了现代机械制造中结构复杂 精密 批量小 多变零件的加工问题 且能稳定产品的加工质量 大幅度地提高生产效率 但从目前企业面临的情况 看 因数控机床价格较贵 一次性投资较大使企业心有余而力不足 我国作为 机床大国 对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策 因此为了今后在工 作中能尽快的熟悉使用数控技术对机床进行数控化改造 本次毕业设计我选择 对 CA6132 普通车床进行数控化改造 通过这次设计以提高自己在数控技术应 用方面的能力 4 2 改造的主要内容改造的主要内容 本次改造的普通车床型号为 CA6132 如下图 其有关参如下 基本参数 6 床身上最大回转直径 mm340 刀架上回转直径 mm180 二顶尖间距离 mm750 主轴通孔直径 mm50 主轴头形式ISO 720 II NO 6 ISO 702 IIINO 6 床身导轨宽度 mm400 床身导轨硬度 HRC52 主电机功率 kW4 主轴转速范围 r min30 1600 根据以上参数以及改造的相关要求对其进行数控化改造 主要包括传动系 统的机械改造和数控装置的设计 由于对经济型数控机床的加工精度要求不高 一般能达到半精加工精度就可以了 为简化结构 降低成本 选用半闭环控 制系统 通过控制纵 横进给系统 保证改造后的车床具有定位 直线插补 圆弧插补 暂停等功能 为实现机床所要求的分辨率 采用伺服电机经齿轮减 速再传动丝杠 为保证一定的传动精度和平稳性 尽量减小摩擦力 选用滚珠 丝杠螺母副 为了能实现螺纹加工 在主轴上连接旋转编码器 为了能实现自动换 刀 改用数控电动刀架 4 3 机械部分的改造机械部分的改造 4 3 1 主传动系统的改造 为了降低成本和改造的工作量 突出改造的经济性 保留原有传动系统和 变速机构 乘用机床原有的普通三相异步交流电动机拖动 即能满足改造的要 求 考虑到加工过程中当电网电压和切削力矩发生变化时 电机的转速也会随之 波动 直接影响加工零件的表面粗糙度 因此为提高加工精度 实现主轴自动无级 变速 在主轴上增加了交流异步电动机变频调速系统 从而不需进行机械换档 现 在我们选用安川变频器进行变频调速 1 变频器容量的选择 变频器容量选择的基本原则是负载电流不超过变频器额定的电流 由于变 7 频器的过载能力没电机的的过载能力强 所以电动机有过载时 损坏的首先是 就变频 因此选择变频器的电流和功率应比电动机的电流或功率在一个等级 一般为 1 1P I 1 1IP cnM cn max 式中 变频器额定功率 kW P cn P 电动机额定功率 kW M I 变频器额定电流 A cn I 电动机额定电流 A max 所以我们现在选用安川 Varispeed G7 系列变频器 400V 级中的 CIMR G7A45P5 为我们所用的变频器 2 编码器的选择 由于车削加工过程常常会遇到螺纹加工 所以要在主轴上连接一旋转编码 器供加工螺纹使用 旋转编码器与车床主轴之间用弹性元件联结 具体用波纹 管联结 通过对比 选用上海恒祥光学电子有限公司的 S70 系列增量型旋转编 码器 其相关资料如下 8 外径 70 实心轴 轴径 8 D 型口 连接方式 插座侧出 电压 DC5 24V 分辨率 10 5000P R 输出形式 集电极开路 电压 长线和推拉输出 防护等级 IP54 安装形式 轴向固定 4 3 2 滚珠丝杠和伺服电机的选择计算 为了提高传动效率和产品的加工精度 纵 横向传动全部用滚珠丝杠 由 于本次改造的是经济型数控机床 其结构简单 价格便宜 调试 维护方便 一般用于精度不高的经济型数控机床 并且本次改造的机床主要用于粗加工及 半精加工 为降低改造成本 决定采用伺服半闭环控制方式对 X 轴 横向 和 9 Z 轴 纵向 进给系统进行改造 采用伺服电机经齿轮减速再传动给 X 轴和 Z 轴丝杠 为保证一定的传动精度和平稳性 尽量减小摩擦力 选用滚珠丝杠螺 母副 1 纵向进给系统的设计 经济型数控车床的改造一般是伺服电动机减速驱动丝 杆 螺母固定在溜板箱上 带动刀架左右移动 伺服电机的布置 可放在丝杆 的任意一端 对车床的改造来说 外观不必象产品设计要求的那么高 而从改 造方便 实用方面考虑 一般都把步进电机放在纵向丝杆的右端 2 纵向进给系统的设计计算 已知条件 工作台重量 W 800N 加速时间常数 t 25ms 滚珠丝杠基本导程 L 6mm 快速进给速度 V 2m min 切削力计算由 机床设计手册 可知 omax 切削功率式中 Pc N K P 电机功率 由条件我们选 P 4 KW 主传动系统总效率 一般为 0 75 0 85 取 0 8 K 进给系统功率系数 取为 K 0 96 则 Pc 4 0 8 0 96 3 072kW 切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力 或转距 和最大切削转 速 或转速 来计算 即 Pc 10 60 z F 3 或 Pc 9550 Tn 式中 F 主主切削力 N z 切削速度 m min T 切削转距 N m n 主轴转速 r min 设按最大切削速度来计算 取 100m min 则主切削力 Fz N 1843 2 N 3 10 60 v Pc 100 10072 3 60 3 从 机床设计手册 中可得知 在一般外圆车削时 Fx 0 1 0 6 Fz Fz 0 15 0 7 Fz Fx 0 5Fz 0 5 1843 2 921 6N Fy 0 6Fz 0 6 1843 2 1105 92N 2 滚珠丝杆设计计算 滚珠丝杠副已经标准化 因此 滚珠丝杠副的设计 归为滚珠丝杠副型号的选择 10 1 计算作用在丝杠上的最大动负荷 首先根据切削力和运动部件的 Q F 重量引起的进给抗力 计算出丝杠的轴向载荷 再根据要求的寿命值计算出丝 杠副应能承受的最大动载荷 Q F 式中 工作负载 N 指数控机床工作时实际作用在滚珠丝杆上的轴向力 Q F 运转系数 一般运转系数取 1 2 1 5 有冲击的运转取 w f w f w f 1 5 2 5 硬度系数 为 60HRC 时 为 1 为1 H f H f H f G 寿命 以转为单位 1 如 1 5 则为 150 万转 6 10 寿命 G 可按下式计算 G 6 10 60nT 式中 n 滚珠丝杠的转速 r min T 使用寿命时间 h 数控机床 T 取 15000h 工作负载的数值可用 机床设计手册 中进给牵引力的实验公式计算 对 于三角形或综合导轨 k W p FFx f z F 式中 切削分力 p F z F W 移动部件的重力 800N k 考虑颠覆力矩影响的系数 k 1 15 导轨上的因数 0 15 0 18 取 0 16 f f f 则 1 15 921 6 0 16 184302 800 N 1482 752N p F 当机床以线速度 v 100m min 进给两 0 3mm r 车削直径 D 80mm 的外f 圆时 丝杠的转速 n r min 0 DL vf 3 10 68014 3 3 0100 3 10 则 G 万转 17 91 万转 6 10 60nT 6 10 15000 9 1960 根工作负载 寿命 G 取 12 1 计算出滚珠丝杆副承受的最大 p F w f H f 11 动负荷 1 2 1 1482 752N 4655 3N Q F 3 G pHw Fff 3 91 17 由 F 查滚珠丝杠的产品样本或 机床设计手册 选择丝杠的型号 现在我 Q 们参照江苏天安机械有限公司的滚珠丝杠的产品样本 选择滚珠丝杠的直径为 32mm 型号为 CDM3206 2 5 P3 其额定动载荷是 14022N 强度足够用 参数技术 12 2 效率计算 根据机械原理 丝杠螺母副的传动效率为 0 式中 螺纹的螺旋升角 该丝杠为 325 摩擦角 约等于 10 则 0 953 0 10253tan 253tan 3 刚度验算 滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用 将引起基本导程 L 的变化 因滚珠丝杠扭时引起的导程变化量很小 可忽略不计 故工作负载引 0 起的导程变化量L 为 0 L 0 ES LFp 0 式中 E 弹性模量 对于钢 E 20 6 10 N c 62 m S 滚珠丝杠截面积 按丝杠螺纹底径确定 d 若 d 2 77cm 则 S 13 6 03c 22 77 2 4 cm 2 m 其中 用于拉伸时 用于压缩时 则L 0 cm 023 6 10 6 20 6 0752 1482 6 cm 6 1007 7 丝杠 1m 长度上导程变形总量误差为 总 L 11 78 总 L mmL L 1007 7 6 0 100100 6 0 0 mm 因 3 级精度丝杠允许的螺距误差为 15 故此丝杠的精度足够 mm 3 确定齿轮传动比 根据系统的脉冲当量 选步进电动机的步距角 则 0 75 0 25 1 01 0 360 675 0 i 取齿轮齿数 齿轮模数 m 2m m 齿轮传动时效率 24 1 Z30 2 Z98 0 i 4 佩服电机的选择 1 负载传动惯量估算 折算到伺服电机轴上的传动惯量可按下式估算 2 22 32 1 180 gi W i JJ JJF 式中 折算到电动机轴上的转动惯量 F J 2 cmkg 齿轮的转动惯量 1 J 1 Z 2 cmkg 齿轮的转动惯量 2 J 2 2 cmkg 丝杠的转动惯量 3 J 2 cmkg 估算参数 对于材料为钢的圆柱形零件 其转动惯量可按下式估算 LDJ 44 108 7 式中 D 圆柱零件的直径 cm L 零件轴向长度 cm 所以 2244 414 0 18 4108 7cmkgcmkgJ 2244 2 01 1 16108 7cmkgcmkgJ 2244 3 45 111402 3108 7cmkgcmkgJ 14 222 2 2 2 299 0 75 0 14 3 01 0 180 8 925 1 800 180 cmkgcmkg gi W 负载转动惯量 22 2 687 8 299 0 25 1 45 1101 1 414 0 cmkgcmkgJF 2 负载转矩计算及最大静转矩选择 根据能量守恒定律 电动机等效负载转 矩 mNmN LF T i OP F 2 1 25 1 98 0 953 0 2 106752 1482 2 10 3 0 3 若不考虑启动时运动部件惯性的影响 则启动转矩 5 0 3 0 F q T T 取安全系数为 0 3 则mNmNTq 43 0 2 1 因为数控机床对动态性能要求较高 确定电动机最大静转矩时应满足快速空 载起动时所需转矩 T 的要求 0max TTTT fa 式中 空载快速起动时所需的转矩 N maxa T m 克服摩擦所需转矩 f TmN 丝杠预紧所引起的折算到电动机轴上的附加转矩 O TmN 当工作台快速移动时 电动机的转速 min 7 416min 6 25 1 2000 max max rr L iv n o 由动力学可知 T J maxaF 式中 角加速度 计算公式为 t n 30 15 则 T J 8 687 10 1 516 maxaF 4 025 0 30 7 41614 3 mN mN 0 0175 f T 25 1 98 0 953 0 2 10616 0800 2 10 3 0 3 0 i LWf i mN mN T 0 406o 25 1 98 0 953 0 2 10625 494 2 10 3 0 3 00 i LF i mN mN 式中 F 预加载荷 一般为最大轴向载荷的 1 3 即 F 3 0p 则 T T T 1 516 0 0175 0 406 maxaf TomN 1 940mN 3 伺服电机的最高工作频率 Hz 55 56Hz 01 0 6060 21000 60 1000 max man f 根据计算综合考虑 查表选用 Star 系列 130ST M06025H 型伺服电机 5 横向进给系统的设计计算 已知条件 工作台重量 W 300N 时间常数 t 25ms 滚珠丝杠基本导程 L 4mm 左旋 快速进给速度 1m min 由 0 vmax 于横向进给系统的设计计算与纵向类似 故计算过程略 选择滚珠丝杠型号 CDM2004LH 2 5 P3 减速齿轮 Z 18 Z 30 伺服电机 12 型号为 110ST M0403H 16 4 3 3 伺服驱动器的选用 根据改造的要求选用的两个伺服电机 X 轴方向只是使刀具切入工件 受 力较小 所以选用型号为 DA98 12 110ST M04030H 驱动器配 X 轴 Z 轴方向 处于进给方向 受力大 应选用型号为 DA98 16 130ST M07720H 驱动器配 Z 轴 17 驱动器的安装要求 18 再选用由上海大江电器有限公司杨子民器厂生产的 BS 200 三相隔离变压器 为伺服驱动器提供电源 变压器外形与安装尺寸图如下 19 车床的机械结构改造要求 具体改造如下 纵向进给机构的改造 拆除原车床的进给箱 利用原车 床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱体 滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置 两 端采用原固定方式 这样可减小改装现场 安装时注意用百分表校验丝杠与导 轨的平行度 拖板与导轨的垂直度 由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠 从 而使纵向进给整体刚性略优于以前 横向进给机构改造 保留原手动机构 用于调整操作 原有的支撑结构也保留 将原来的丝杠换成滚珠丝杠 滚珠丝 杠仍然安装在原丝杠位置 两端采用原来的安装方式 安装时注意用百分表校 验丝杠与导轨的垂直度 伺服电机 齿轮箱体安装在中拖板的后侧 纵 横 向伺服电机都采用一级齿轮减速器 1 1 与滚珠丝杠连接 4 3 4 刀架部分的改造 为了能实现自动换刀 选用适合车床用的四工位数控电动刀台 具体选择 常达机床数控设备有限公司的 LD4 HAK20 电动刀架 其工作原理及特点 20 LD4 型系列电动刀架采用蜗杆副传动 螺杆锁紧无触点霍尔元件发信的工作原 理 具有转位快 定位精度高 刚性好的优点 是普遍采用的经济型产品 图形 尺寸 参数如下 21 具体改造 拆除原刀架和小拖板 换上数控电动刀架 选用欧姆龙的 d4n 型限位开关保护车床 外型如图 4 4 数控部分的改造数控部分的改造 本次改造为经济性改造 一般国产的数控系统就能满足要求 为了降低成 本选用广州数控设备有限公司的 GSK980TD 车床数控系统 其相关参数如下 22 1 GSK 980TD 车床数控系统产品特点 X Z 二轴联动 m 级插补精度 最高速度 16m min 可选配 30m min 内置式 PLC 可实现各种自动刀架 主轴自动换档等控制 梯形图可编 辑 上传 下载 I O 口可扩展 选配功能 具有攻丝功能 可车削公英制单头 多头直螺纹 锥螺纹 端面螺纹 变螺距螺纹 螺纹退尾长度 角度和速度特性可设定 高速退尾处理 支持 CNC 与 PC CNC 与 CNC 间双向通讯 系统软件 PLC 程序可通讯升 级 提供多级操作密码功能 方便设备管理 具有螺距误差补偿 刀尖半径补偿 反向间隙补偿功能 集成中文 英文显示界面 由参数选择 具有 S 型 指数型加减速控制功能 适应高速 高精加工 零件程序全屏幕编辑 可存储 3000KB 192 个零件程序 安装尺寸 电气接口 指令系统 操作显示 2 基本功能 提供技术规格中未注明选配的功能 包括 快速最高 16 米 分钟 进给最高 8 米 分钟 螺距误差补偿 刀具半径补 主轴模拟电压控制 变频主轴 通讯 用户输入 16 点 输出