普通车床（C616）的经济型数控化改造

毕业设计任务书一、设计课题名称：普通车床（C616）的经济型数控化改造二、指导教师：石金艳三、设计要求：采用数控装置和伺服装置，对 C616 车床进行数控化改造。要求能进行车削数控加工，达到或超过原车削加工性能。数控装置、伺服装置选择合理，控制系统设计简单可靠，保护措施完备。四、设计依据：C616 车床控制要求、电气原理图及相关参数；数控装置型号规格参数；伺服装置型号规格参数；常用低压控制电器型号规格参数。五、参考资料：熊光华主编数控机床北京：机械工业出版社；2002廖兆荣主编机床电气自动控制北京：化学工业出版社；2003王爱玲主编现代数控机床结构与设计北京：兵器工业出版社；1999余良英编著机床数控改造设计与实例北京：机械工业出版社；1998白恩远主编现代数控机床伺服及检测技术北京：国防工业出版社；2002袁任光编著交流变频调速器选用手册广州：广东科技出版社，2002曾毅等编著变频调速控制系统的设计与维护济南：山东科学技术出版社，2002编写组编机床设计手册第 5 卷上、下册北京：机械工业出版社，1979李荣生主编电气传动控制系统设计指导北京：机械工业出版社，2004姜德希编机床电气线路图册北京：中国农业出版社，编写组编著工厂常用电气设备手册上、下册北京：中国电力出版社，1997六、设计内容进度及工作量(一)设计内容和进度要求序号进度要求设计内容了解车床传动、控制、加工性能，分析国内外数控车床的结构、控制和加工要求。1 1 周经过分析、比较、计算，确定改造总体方案。05 周 对进给、主轴传动系统进行分析计算，选择拖动电动机并确定传动系统改造方案。21 周 完成进给、主轴传动系统改造图。05 周 选择伺服装置305 周 完成伺服系统控制设计，并完成伺服系统控制原理图。4 05 周 选择数控装置。1 周 完成电气原理图草图。505 周 完成电气原理图和电气安装接线图。05 周 伺服系统调试设计。05 周 数控装置调试设计。605 周 机床安装及调试设计。7 2 周 编写设计说明书。8 1 周 毕业设计答辩准备及答辩。(二)工作量设计说明书：数控化改造总体方案设计；机械部分改造设计；伺服装置选型；伺服系统控制设计；数控装置选型；电气控制系统设计；机床安装与调试设计。图纸：机械改造图；伺服系统控制原理图；电气原理图；元器件清单七、说明书的格式和装订要求（一）毕业设计封面（全系统一格式）（二）毕业设计评阅书（全系统一格式）（三）评分标准（全系统一格式） （四）毕业设计任务书（指导教师下发）（五）毕业设计明细表（全系统一格式）（六）目录（七）毕业设计正文（八）设计图纸（九）毕业设计总结（十）参考资料注:说明书用 A4 开纸打印或书写，毕业设计正文字数不少于 1.5 万（含空格）八、毕业设计课题审批表审批具体意见 审查部门负责人意见专业负责人 时 间 年 月 日学术负责人 时 间 年 月 日目录目录 .1第 1 章 数控机床的概述和方案 .21.1 机床数控化改造的意义 .21.2 机床数控化改造的市场 .21.3 设备改造前后各项性能 .31.4 机床的改造方案的确定 .4第 2 章 主轴的改造 .62.1 数控机床对主轴的要求 .62.2 机床主轴的改造 .72.3 变频器的选型 .72.4 编码器的选型 .8第 3 章 进给系统改造设计 .103.1 纵向传动系统的改造 .103.1.1 纵向改造实施方案 .103.1.2 纵向进给的设计与计算 .103.2 横向传动系统的改造 .163.2.1 横向改造实施方案 .163.2.2 横向进给系统设计与计算 .173.3 步进电动机的选型 .203.4 步进电机驱动器选型 .24第 4 章 数控系统选型 .264.1 数控系统的选择 .264.2 世纪星 HNC-18i 数控系统功能描述 .26第 5 章 机床附件的改造 .295.1 丝杠改造与设计 .295.2 机床电路的改造 .305.3 自动换刀装置 .32第 6 章 安装与调试 .336.1 系统调试 .336.2 电气系统的调试 .456.3 安装及调试中应注意的问题 .46元器件清单 .51毕业设计心得 .52参考文献 .53第 1 章 数控机床的概述和方案1.1 机床数控化改造的意义一般说来，数控机床比传统机床有以下突出的优越性。 1.可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 2.可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 37 倍。 3.加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要工人修配。 4.可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 5.拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 6.降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 7.数控技术现已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。8.减少投资额、交货期短 9.同购置新机床相比，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的 1/3，交货期短。 10.机械性能稳定可靠，结构受限 11.所利用的床身、卧柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 12.用户熟悉了解设备、便于操作维修 13.购买新设备时，不了解新设备是否能满足其工艺要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。 14.可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 15.以采用最新的控制技术 可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，将旧机床改成当今水平的机床1.2 机床数控化改造的市场 1.由于机床下有行业固定资产投资连续几年快速增长，国内机电产品市场需求年均增长 30，带动了机床市场需求 30以上的增长。从 2002 年开始，我国就成为世界第一机床消费大国。2004 年国产金属切削机床年产量达到38.94 万台、数控机床产量 5.19 万台；2005 年前三季度，我国金属切削机床和数控机床产量分别达到 34.08 万台和 4.33 万台。我国的大多数制造行业和企业的生产、加工装备大多数是传统的机床，而且多数是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响到企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 2.由于近几年国内外数控系统的高速发展，使原来进口的高档数控系统已不再满足日新月异的产品需求，迫切需要更换最新的数控系统及软件。我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。在这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 3.由于机床数控技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。我国的机床改造业，也已进入到以数控技术为主的新的行业。1.3 设备改造前后各项性能各项性能指标完全达到 JB2670-82 标准。改造前后的设备情况如下：C616 改装前的主要参数：床身上最大工件回转直径 320mm最大工件长度 750mm刀架以上最大工件回转直径 175mm主轴转速种数正反转各 12 种主轴转速范围 45-1980 转/分主轴每转刀架进给量范围横向 0.04-2.45mm纵向 0.06-3.34mmC616 改装后的主要参数：主轴转速：无极调速 10-2000r/min脉冲当量 X 轴 0.001mmZ 轴 0.01mm行程：X 轴 110mmZ 轴 650mm最大工件直径：200mm最大工件长度：500mm1.4 机床的改造方案的确定1主轴的改造方案拆除原来的变速箱。采用一级变速齿轮，采用变频器变速，以适应调速范围的要求，调速精度和快速性的要求，使用同步齿形带连接主轴与电机，在电机的尾部加装脉冲编码器，以保证螺纹的加工。2进给轴的改造方案将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。3数控装置改造方案伺服系统是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统，我们本着尽量减少成本的前提下，采用经济型数控系统，比较经济合适，也能够保证机床在无重大故障的情况下，能够继续生产。4其他附件改造方案刀架部分：拆除原手动刀架和小拖板，安装由微机控制的四工位电动机刀架，该刀架具有重复定位精度高、刚性好、使用寿命长、工艺性好，安装后，试用 MDI 功能换刀，观察三相电源有无。传动丝杠：丝杠的改造承受径向载荷和轴向载荷，更重要的是能消除由于安装误差、导轨直线误差,加工过程中的切削变形而引起的轴和轴承之间的干涉,我们采用双列向心球面球轴承，采用波形弹簧垫圈消除齿轮间隙 C616 机床总体改造示意图如图 1-1 所示图 1-1 C616 机床总体改造示意图第 2 章主轴的改造2.1 数控机床对主轴的要求2.2 机床主轴的改造2.3 变频器的选型2.4 编码器的选型第 3 章进给系统改造设计3.1 纵向传动系统的改造3.1.1 纵向改造实施方案纵向进给滚珠丝杠必须采用三点式支承形式。步进电动机的布置，可放在丝杠的任一端。由于拆除了进给箱，可在原安装进给箱处布置步进电动机的减速齿轮，也可在滚珠丝杠的左端设计一个专用轴承支承座，而在素刚托架处布置步进电动机，机床改造常采用后一种布置方案。在丝杠左端设计一个专用轴承座，采用一个轴套式滑动轴承作为径向支承，在滑动轴承的两侧分别布置一对推力球轴承承受两个方向的轴向力，支承短轴与滚珠丝杠通过联轴套连接起来，滚球丝杠可托架上，滚珠丝杠的中间支承为滚珠螺母与床鞍直接连接，如图 3-1 所示。图 3-1 纵向进给传动示意图1、4推力球轴承 2、10径向滑动轴承 3左端轴承座 5左接拉杆 6、9联轴套 7滚珠丝杠螺母副 8螺母座 11丝杠托架 12步进电动机3.1.2 纵向进给的设计与计算 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。 已知条件： 工作台重量： W=80kgf=80N(根据图纸粗略计算)时间常数： T=25ms滚珠丝杠基本导程：L 0=6mm行程： S=640mm脉冲当量： p=0.01mm/step步距角： =0.75/step快速进给速度： Vmax=2mm/min1.切削计算 由机床设计手册 可知，切削功率Nc=NK （3-1 ）式中 N电机功率，查机床说明书，N=4KW； 主传动系统总效率，一般为 0.60.7 取 =0.65； K进给系统功率系数，取为 K=0.96。则： Nc=40.650.96=2.496KW又因为NC= 6120vFZFZ= v所以式中 v切削线速度，取 v=100m/min。主切削力 FZ =152.76(kgf)=1527.6(N)由金属切削原理 可知，主切削力FZ=CFz apx Fz fYFz KFz （3-2）查表得： CFz=188kgf/mm21880MpaXFz=1 YFz=0.75 KFz=1则可计算 FZ 如表 3-1 所示： 表 3-1 FZ 计算结果ap(mm) 2 2 2 8 8 8f(mm) 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4FZ(N) 1125 1524 1891 1687 2287 2837当 FZ=1520N 时，切削深度 ap=2mm, 走刀量 f=0.3mm，以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：FX =（0.10.6 ）F Z FZ=(0.150.7) FZ取： FX=0.5 FZ=0.51527.6=763.8NFY=0.6 FZ=0.61527.6=916.5N2.滚珠丝杠设计计算综合导轨车床丝杠的轴向力： P=KFX+f(F Z+W) （3-3）式中 K=1.15，f=0.150.18 ，取为 0.16。则P=1.15763.8+0.16(1527.6+800)=1250.8N1) 强度计算：寿命值 L1= （3-60iTn4）n1= = （3-0Lf主 0Dvf5）取工件直径 D=80 mm,查表得 T I=15000h则：n1= =20r/min6804.3.L1= =1852最大动负载 Q= （3-HwfP316）查表得： 运转系数 fw=1.2 硬度系数 fH=1则Q= 1.211250.8=39933.6N38根据最大动负载 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 FC1B 系列，滚珠丝杠直径为 32mm, 型号为FC1B3265E2，其额定动载荷是 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：= （3-)(vtg7）式中 摩擦角 =10 螺旋升角 =3 25则= )10253(tg3) 刚度验算滚珠丝杠受到工作负载 P 引起的导程的变化量 L 1= （3-EF08）式中 L0=6mm=0.6cm；E=20.6166N/ cm2。滚珠丝杠截面积 F=( )2=（ ） 23.14d8031.则L 1= =5.910-614.3)280.(6.2065滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L 2 很小, 可忽略, 即：L=L 1。所以：导程变形总误差为 = = 5.910-6=9.8m/mL016.查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（ 1m 长）为 15m/m ，故刚度足够。4）稳定性验算由于机床原丝杠直径为 30mm，现选用的滚珠丝杠直径为 32 mm，支承方式不变，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= = =1.25PL36001.675故取 Z1=32mm Z2=40m=2mm b=20mm =20d1=m Z1=232=64mmd2= m Z2=240=80mmd1 =d1 +2ha*=68mmd2 =d2+2ha*=84mm= = =7221d80642) 转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：J1=( )2W=( )280=0.468 2p8075.01438=4.68N 2丝杠的转动惯量：JS=7.810-4D4L1=7.810-43.24140.3=11.475 2=114.75N 2齿轮的转动惯量：JZ1=7.810-46.442=2.617 2=26.17 N 2JZ2=7.810-4842=6.39 2=63.9 N 2电机转动惯量很小可以忽略。因此,总的转动惯量：J= (JS+JZ2)+ JZ1+ J121i= (11.475+6.39)+2.617+0.46825.1=14.519 2=145.19N 23）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩M=Mamax MfM 0 （3-9）最大切削负载时所需力矩M=Mat MfM 0M t (3-10)快速进给时所需力矩M= MfM 0 (3-11)式中 Mamax 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；Mf 折算到电机轴上的摩擦力矩；M0 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；Mat 切削时折算到电机轴上的加速度力矩；Mt 折算到电机轴上的切削负载力矩。Ma= 10-4NmTJn6.9当 n=nmax 时 Mamax =Manmax= = =416.7r/min0axLiv25.1Mamax= 10-4=2.52Nm=25.72f .6974当 n=nt 时 Ma=Matnt= = = =24.88r/min0Lfi主 01fDvi68014.325.Mat= 10-4=0.1505Nm=1.536f25.6984Mf = = (3-12)iF0iWf0当 0=0.8 f=0.16 时Mf = =1.223f25.1804.326M0 = (1- 02) (3-13)iLFX当 0=0.9 时预加载荷 P0= Fx 则：3M0= = =0.462f=4.62NiLX6)1(225.1804.)9(67Mt= = =7.297f=72.97 NiLF2025.1804.367所以, 快速空载启动时所需力矩：M=Mamax MfM 0=25.721.2230.462=27.405f=274.05N切削时所需力矩：M=Mat MfM 0M t=1.5361.2230.462 7.297=10.518f=105.18 N快速进给时所需力矩：M= MfM 0=1.2230.462=1.685f =16.85 N由以上分析计算可知：所需最大力矩 Mmax 发生在快速启动时，Mmax=27.405f=274.05 N3.2 横向传动系统的改造3.2.1 横向改造实施方案横向滚珠丝杠也采用三点式支承形式。步进电动机一般采都安在床鞍的后部,靠近操作都一端 ，布置一根支承短轴通过一个联轴套与滚珠丝杆连接起来。利用车床原横向进给丝杆可滑动轴承作为径向支承，并对原支承处进行适当改装布置一对推力球轴承，以实现轴向支承,在远离操作者的一端，用一个联轴套和一根连接短轴把滚珠丝杠与减速箱输出轴连接起来，滚球螺母直接固定在中滑板上。车床横向传动的支承结构如 3-2 所示。 图 3-2 横向进给传动示意图1步进电动机 2支承架 3、4、7联轴套 5滚珠丝杠螺母副 6螺母座 8支承短轴3.2.2 横向进给系统设计与计算 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。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=30f=300N时间常数 T=25ms滚珠丝杠基本导程 L0=4 左旋行程 S=190脉冲当量 p=0.005/step步距角 =0.75/ step快速进给速度 vmax=1m/min1.切削力计算 横向进给量为纵向的 1/21/3，取 1/2，则切削力约为纵向的1/2FZ=0.5152.76=76.38f=763.8N在切断工件时：Fy=0.5 FZ=0.576.38=38.19f=381.9N2.滚珠丝杠设计计算1）强度计算：对于燕尾型导轨：P=KFyf (F zW) (3-14)取 K=1.4 f=0.2则P=1.438.190.2(76.38 30)=74.74f=747.4N寿命值 L1= = =13.5610Tn605最大动负载Q= = =213.55f=2135.5NPfHW31 74.12.53根据最大动负载 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 FC1B 系列，滚珠丝杠公称直径为 20，型号为FC1B2045E2 左，其额定动负载为 5393N，所以强度足够用。2）效率计算：螺旋升角 =338 ，摩擦角 =10 则传动效率= = =0.956)(tg)0183(tg3）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量L 1= = =5.9610-6EF0 26719.0.214.347滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L 2 很小，可忽略，即：L=L 1 所以导程变形总误差为= mL9.14096.54010 查表知 E 级精度丝杠允许的螺旋误差（ 1m 长）为 15m/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= 67.1350.36470pL故取 Z1=18 Z2=30m =2 b=20 =20d1=36 d2=20d1 =40 d1 =64a=482) 传动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：J1= 20439.13)75.01438()80( 22 Wp丝杠的转动惯量：JS=7.810-4D4L1=7.810-42450=0.624 2齿轮的转动惯量：JZ1=7.810-43.642=0.262 2JZ2=7.810-4642=2.022 2电机转动惯量很小可以忽略。因此，总的转动惯量：J= 0439.2.)0.624.()53)(1122 JJiZS=1.258 23）所需转动力矩计算nmax= min/7.416350maxrLivMamax= Nm=2.23f28.0025.698.106.944maxTJnt= =33.17r/min3.31001DLvfif主Mat= =0.0174 Nm=0.1775 f425.6978.Mf= = = 0.287f=0.028 NmiF0iWf0 58.013.M0= 0.116f =0.011 Nm)9.(.469.)1(6 22iLYMt= 1.824f=0.182 Nm58.032.0iFY所以，快速空载启动时所需转矩：M=MamaxM fM 0=2.230.2870.116=2.633f=26.33N切削时所需力矩：M=Mat MfM 0M t=0.17740.2870.116 1.824=2.404f=24.04 N快速进给时所需力矩：M= MfM 0=0.2870.116=0.403f=4.03 N从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时，M max=2.633f=26.33 N3.3 步进电动机的选型在生产实际当中，纵横向的受力情况基本相同，c616 在实际当中属于中小机床，所以我们采用同一型号的步进电动机。1.脉冲当量的选择脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离=0.01mm/p（输入一个指令脉冲工作台移动 0.01 毫米）初选之相步进电动机的步距角 0.750 /1.50 ，当三相六拍运行时，步距角=0.75 0 其每转的脉冲数 S= =480 p/r75.036步进电动机与滚珠丝杆间的传动比 ii= = =1.25sL4801.6在步进电动机与滚珠丝杆之间加 Z1 =20，Z 2 =25 模数 m=2.5 的一对齿轮。齿轮的模数根据 c616 车床，挂轮齿类比确定。2.等效负载转矩的计算空载时的摩擦转矩 TLF TLF = = =0.086N.Miuwls225.1804.366车削加工时的负载转矩 TL TL = iLFuSyZ2)(= =1.584N.M5.18046.326(10u- 摩擦系数w-拖板重量L-导程i-传动比FZ-最走刀抗力Fy -最大切削力（N）-滚动丝杆传动效率S等效转动惯量计算滚珠丝杆的转动惯量 JsJs= Kg.m243440 10.8325.71)0.(1.32 lpd拖板的运动惯量Jw= kg.m2422 10.)06.(8914)( lg大齿轮的转动惯量 Jg2（大齿接圆直径 62.5 毫米 宽 10 毫米）Jg2 = kg.m24344 1076.325.70)65.(1.32 bpD小齿轮的转动惯量 Jg1（小齿接圆直径 50 毫米 宽 12 毫米）换算系列电机轴上的总转动惯量 JLkg.m253441 1078.3285.701.)5.(1.32 bpg换算到电动机轴上的总转动惯量 JL 21JgWSg= 244455.11076.80.87. =7.33 10-4 Kg.m2初选步进电动机型号根据车削时负载转距 TL=1.58N.M 和电动机总转动惯量 JL=7.33x10-4,初步选定电动型号为 110BF003 反应式步进电动机。该电动机的最大静扭Tmax=8.1N.M，转子转动惯量 Jm=4.7 10-4kg.m2为了使步进电动机具有良好的起动能力及较快的响应速度应为：及maxTL4MLJ21.58.axL46.107.434MLJ空载时起动时间计算（t a）110BF003 步进电动机的最小加、减速度时间为 1 秒带惯性负载的最大起动频率 fL 的计算 HZJMLm9306.51电动机空载起动频率。mf带惯性负载的最大转速转/分16360975.360lmfn带惯性负载起动力矩 Tm 电动机起动矩-频率特性