SK360数控化改造-主传动设计

1引言本次改造设计是对 SK360 的数控化改造，具体是对主传动的改造设计，通过添加轴上的编码器测量主轴转速，保证 X 和 Z 向的进给。数控化改造即能降低成本，有能提高生产效率，有很大的发展前景。通过本次改造设计，使所学的理论知识得到巩固和应用。进一步提高自己的设计、计算绘图能力，在改造设计的过程中提高自己分析解决问题的2第一章绪论11 毕业设计的目的：根据机械设计制造及其自动化专业的教学大纲要求：本专业学生要熟悉掌握机电一体化产品和系统的设计、制造、使用与维修、维护的程序，并能够灵活运用所学专业课程知识，解决实际问题的综合素质与能力；具有研究开发为完成教学大纲的要求，本毕业设计研究讨论的主要内容，是对安阳鑫盛机床厂的一台 SK360 普通卧式车床进行数控化改造，改造后机床型号定为 CKG360。具体是对主传动的改造设计。12 毕业设计选题意义：数控机床是制造业现代化的标志：是提高促进国民经济发展的基础设备，促进科技国防现代化的重要手段，也是衡量一个国家经济实力的一个重要指标，随着我国 WTO 的加入，市场经济将与世界接轨，为加快我国制造业向高速、高精、高自动化、高柔性化、智能化的发展速度，提高市场竞争能力，数控机床是我国列入十五计划的重点项目。近期，对汽车工业和数控行业的重点投入与扶持，98 年来中国数控机床消费量增长率在 30%以上，产量年增长率在 19%，据预测以后几年中国数控机床的市场消费将以年均20.75%的速度增长，国家数控机床的市场需求空间很大。同发达国家相比，我国机械行业基础较差，数控应用起步较晚，数控普及率较低，乡镇、民营企业较多，数控技改资金投入有限，机床价格成为制约数控应用的一个障碍，对普通机床的数控化改造成为我国应用数控技术的投资少、见效快的项目。我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3%。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6%。我国机床役龄 10 年以上的占 60%以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20%，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60%以上） 。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 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，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高3机床的数控化率。 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。1. 3 改造的目的：克服普通机床自动化程度低，操作者劳动强度大，技术水平要求高，机床润滑不稳定，导轨易爬行，加工产品精度一致性差，不易加工曲线和圆弧面的缺点。提高机床的自动化程度，提高机床生产率及加工成品的一致性，降低操作者劳动强度，降低机床对操作者熟练程度的要求。扩大机床的加工范围，提高机床加工精度。1. 4 技术指标：原车床 SK360 参数、指标：1规格：中心高：190mm。最大工件长度：750mm。床身上最大回转直径：360mm。床鞍上最大回转直径：210mm。2床头箱：主轴孔锥度：莫氏短 6 号。主轴孔直径：38mm。主轴正转种数：12 种。转速范围：37-1600r/min。主轴反转种数：6 种。转速范围：102-1570r/min。3机床主电机：主电机功率：4Kw。转速：1441r/min415 改造设计要求：根据本部分绪论，改造目的，针对改造机床具体情况，参考同规格数控机床的功能配置和精度要求，提出如下改造设计要求：1.床头箱提高主轴精度，增加主轴编码器和相关元件，满足数空控制的要求及精度要求。2. 手动卡盘改为电动卡盘，降低劳动强度，提高工作效率，并且卡盘定心准确，性能稳定，动作灵敏，夹紧力大小可调，最大加紧力达 45KN，夹持范围达 4200mm。3. 手动刀架改为电动刀架，能实现刀架的转位、定位、夹紧的自动控制，满足数控编程的要求，并且要求刀架对指令信号反应灵敏，动作执行准确可靠，能充分发挥出数控化改造后加工效率高、精度高的特点。4. 溜板与床鞍合理匹配，满足 Z 向进给的刚性结构及数控化技术改造的要求。5. 床鞍、滑板、X 向、Z 向丝杠润滑，采用电动润滑，降低劳动强度，提高润滑的可靠性和润滑质量，满足数控化改造对润滑系统的要求，同时润滑系统的技术改造，应有利于数控化技术改造后车床的安装调试及日常维护。6. 主轴箱润滑仍采用原润滑，轴承温度最高不大于 70C，温升小于 40C，以利于提高加工精度。7. 电气改造采用低成本、高稳定性的半闭环数字化广州 980T 控制系统，配置安全可靠的电器控制箱，与机械部分的数控化改造相匹配，安装数据输入显示屏和车床数控化功能操作面板，直流稳压电源由隔离变压器提供，具有良好的安全性和抗干扰性。8. 机床改造机械部分精度按国家标准JB/T8324.1-96 数控卧式车床精度要求；电气部分按国家标准GB5226.1-2002 要求。第二章车床数控化改造方案21 改造可行性分析：将原普通卧式车床的参数和指标与简式数控卧式车床的参数、指标相比较，可以看出，数控机床的几何精度中除床身导轨调平在纵向导轨垂直平面内的直线度提高 0.01mm5和新增加了刀架精度要求之外，其余与普通机床完全相同，数控机床的工作精度项目中，精度要求也基本相同，个别项目精度要求虽高，但相差不大，因此，从精度方面分析，原机床的零部件基本能满足数控机床的要求，个别项目精度要求不同，通过零件的改造补充加工，可以达到要求，因此，普通卧式车床的数控化改造基础是可行的。22 总体改造方案：通过分析，原机床主要存在问题为：1机床不宜加工曲面和圆弧。2机床控制自动化低，操作者劳动强度大，加工一致性差。为克服上述缺陷，实现数控机床具有的自动加工特性，对其进行数控化改造，总体改造方案为：机床原主参数不变，将手动刀架将变为电动刀架；手动卡盘变为电动卡盘；纵向（Z 轴） ，横向（X 轴）普通丝杠将换为滚珠丝杠，并分别配置伺服电动机控制两个方向运动；主轴增加转角，转速信息反馈编码器；电器增加伺服系统，自动液晶显示器，从而使机床具备数控机床加工可进行编程及自动加工的性能。改造后机床具有加工效率高，废品率低，成品一致性好，对工人技术熟练程度要求降低，操作简单的特性；并适合于加工各种锥面、曲面、螺纹及形状复杂的轴套类零件的加工，且适用于多品种，中小批量的轮番加工，工艺适应性强。22.1 主轴箱部分：主轴箱是机床的关键部件，其价格在机床中占的比例比较大，由于本次设计是经济型数控改造，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少，以降低成本。222 卡盘部分：原机床卡盘为手动卡盘，为提高机床的自动化程度，降低操作者劳动强度，满足加工要求，去除手动卡盘，增加电动卡盘。根据机床允许最大切削力为 7150N，最大夹紧直径为 200mm，最高主轴转速为 1600r/min，选择夹紧范围为 4200mm ，最大夹紧力为45KN，最高工作转速为 2000r/min，生产厂家为上海机床附件二厂，型号为 JDK200 的电动卡盘，该卡盘结构紧凑，安装简便，使用可靠，定心精度高，能够满足机床改造要求。改造方法为主轴前端增加过渡连接盘与卡盘体连接，主轴后端盖增加支架，支承卡盘电机，6设计结构简单可靠。223 床身、溜板、刀架部分：在对床身改造时，考虑到其为机床重要基础件之一，床身导轨本身采用中频淬火，淬火层较深，为了提高床身的精度和耐磨性，对床身再次进行磨削加工。同时为了尽量减少改造加工，在补充加工限位开关用螺孔后，并充分利用原丝杠支架位置和螺孔，设计安装滚珠丝杠、伺服电机支架，满足传动要求。溜板部分，由于纵向 Z 轴采用滚珠丝杠、伺服电机传动，原机床溜板箱被取消，但为了安装滚珠丝杠螺母座，减少支架安装的补充加工，提高支架刚性，新设计螺母座支架，仍采用溜板箱式框架结构。刀架部分，为了提高自动化程度，去除原机械回转刀架，换为电动回转四工位刀架，型号为 LDB4-C6132，厂家为常州市亚兴数控设备有限公司，配置刀方为 2020mm，该刀架换刀不许抬刀，无触点发讯，双销反靠，采用国际先进的三端齿定位，螺纹升降夹紧，工作可靠度高，刚性好，寿命长，密封性能好，定心精度高，能够满足机床需要。224 润滑部分：原机床导轨、丝杠，为人工润滑，润滑不均匀，不可靠。为了适应数控机床自动化的要求，并增加机床润滑的可靠性、均匀性，减少磨擦，对机床床身两导轨处、滑板两导轨处、纵向（Z 向）丝杠及横向（X 向）丝杠等润滑改为集中自动润滑，润滑装置选用浙江中日合资浙江永嘉流遍机械润滑有限公司生产的 MMXL-15/5.5 润滑泵，该润滑装置可定时、定量提供润滑油，并设有油位发讯器，可满足润滑安全、可靠、均匀、省油的要求。床头箱润滑为油轮飞溅自动润滑，非人工润滑，不影响数控机床的自动化程度，能满足数控机床要求，仍采用原润滑。225 电气部分：原机床电气为交流接触器普通强电控制，为了满足机床数控化改造的要求，实现数控机床要求的电气系统控制的自动化和控制精度，对机床电气部分进行全部改造设计，废除原电器部分，根据结构情况，设计更换新的电气柜、数控操纵台，并重新设计强电和添加配置数控系统。为了操纵方便，设计将全部操纵按扭和液晶显示屏集中布置在操纵台上。在系统选择方面，目前，数控控制主要有开环控制、半闭环控制和闭环控制三种，从系统的价格、精度和功能方面考虑，改造选择广州数控设备厂生产的经济型数控半闭环控制升7级换代产品 GSK980T 数控系统。该系统系国产第一代全数字交流伺服系统，采用国际最新数字信号处理器（DSP） 、大规模可编程门阵列（CPLD ）和 MITSUBISHI 智能化功率模块（IPM） ，集成度高，体积小，保护完善，可靠性好，并且采用最优 PID 算法完成 PWM控制，性能已达到国外同类产品的水平，另外伺服电机自带编码器，位置信号反馈至伺服驱动器，与开环位置控制器一起构成半闭环控系统，避免了失步现象，从低速到高速都具有稳定的转矩特性，电机转速、定位精度高，通过修改参数，可对伺服系统的工作方式、运行特性作适当的设置，可适应不同的要求。从控制精度参数看，本系统的反馈脉冲为10000 脉冲/转，能够满足数控需要第三章 主传动改造方案设计31 确定主传动改造方案将普通机床的精度与简式数控机床的精度要求相比较，普通机床主轴箱要求的几何精度与数控机床主轴箱要求的几何精度（主轴端部的跳动、主轴定心轴径的径向跳动、主轴锥孔轴线的径向跳动、主轴轴线对溜板移动的平行度、顶尖的跳动、横刀架横向移动对主轴轴线的垂直度）完全相同；普通机床主轴箱要求的三项工作精度与数控机床主轴箱要求三项工作精度相比，数控机床精车夹在卡盘中（或插在主轴锥孔）的圆柱试件圆度误差提高 0.005 mm，在纵截面内直径的一致性相同，精车夹在卡盘中的盘形试件端面直线度误差提高为 0.005mm，精车圆柱普通螺纹螺距误差提高 0.015mm，精度相差不大，为了降低改造成本，满足数控机床的要求，对主轴箱只作局部改造。1. 原 SK360 普通卧式车床的主传动系统不变。2. 为了提高主轴精度，对于主轴轴承，全部更换，并提高一个精度等级。3. 为了节约改造成本，对没有损坏、不影响精度的齿轮、一般轴用轴承只作清洗维护。4. 拆除进给传动系统，使主轴箱内传动系统简化，满足改造后数控精度要求。5. 主轴箱的齿轮、轴承润滑，为甩油轮飞溅自动润滑，非人工润滑，不影响数控机床的自动化程度，能够满足数控机床对主轴箱的润滑要求，润滑仍采用原装置,不做改动，只做整理。6. 为了给进给系统提供主轴转速和位置信息，满足数控车削各种螺纹、曲线、圆弧的要求，增加主轴编码器。7. 为提高检测精度，编码器利用拆除进给传动系统的轴位置，采用 1：1 齿轮传动，与8主轴直接相连。32 编码器选择根据 SK360 主轴箱的结构拟定方案，该机床主要适合螺纹的加工，在螺纹加工的过程中，应避免螺纹的乱扣现象，所以应该保证 X 向和 Z 向的进给的精度和平稳性。主轴转速能够保证 X 和 Z 向进给，只要测出主轴的转速即可。故需安装一个轴来传递主轴的转速，在安装的这根轴加个速度检测装置-旋转编码器。旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有） ，和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差 90 度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。 旋转编码器由精密器件构成，故当受到较大的冲击时，可能会损坏内部功能，使用上应充分注意。编码器为了满足精度、结构、系统匹配的要求，编码器选择具有体积小、重量轻、安装方便、互换性好、性能稳定、功能全、抗干扰能力强、力矩小、耗能低、使用寿命长、旋转方向、脉冲数量的增减能自动判别、计数起点可任意设定、并可实现多圈无限累加和测量的长春一光生产的主轴编码器，型号为 PLF25-1024-C05E，编码器最高转速为5000r/min，每转脉冲数为 1024PLF 系列的编码器3.3 主轴轴承的选择轴承选择的原则数控机床选用的轴承，有滚动和滑动两大类，从旋转精度来看，两大类轴承都能满足要求。滚动轴承比滑动轴承相比的优缺点：滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定地工作，能在无间隙，甚至在预紧的条件下工作。摩擦系数小，易于润滑，有9利于散热。但滚动轴承的不足是：滚动轴承的阻尼较低，径向尺寸比滑动轴承大；其次由于滚动轴承滚动体的数量有限，在旋转中的径向刚度是变化的，易引起振动。因此选用滚动轴承更为合适。通常情况下，可按下列条件选用滚动轴承：1.中高速重载双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承（如配推力轴承则极限转速低） 。成对圆锥滚子轴承结构简单，但极限转速较低。空心圆锥滚子轴承的极限转速较高但成本较高。2.高速轻载成组角接触球轴承，根据轴向载荷的大小分别选用 接触角。3.轴向载荷为主精度要求不高时，选用推力轴承配深沟球轴承；精度要求较高时，选用向心推力轴承。4.径向载荷为主一般选用深沟球轴承。主轴组件的滚动轴承既要有承受径向载荷的向心轴承，又要有承受两个方向轴向载荷的推力轴承。轴承类型及型号选用主要应根据主轴组件的刚度、承载能力、转速、抗振性及结构等要求综合考虑进行选定。本次改造中，原有主轴轴承型号不变，只是全部提高一个精度等级，选用 6 级精度。3.4 编码器轴组件的设计3.4.1 轴的设计1.轴的选材（1） 选材应该满足使用性能要求该轴不进行力的传递，在保证其刚度、强度、耐磨性、耐冲击性、热稳定性和抗振性等力学性能和运动副磨损就能满足其性能要求（2） 满足经济性要求如果符合使用要求的材料，其工艺成本、供应难度、环境损害等资源要素的代价很高，那么这种材料的选用显然是不符合市场经济环境和社会发展要求的。因此，选材必须满足经济性和社会发展性要求。10（3） 满足用材习惯性要求在工程实际中，符合使用性、工艺性、经济性要求的材料往往不是唯一的，这就要考虑用材习惯的问题。轴类零件应根据不同工作条件和使用要求选用不同的材料和热处理，以获得一定的强度、韧性和耐磨性。45 钢是一般轴类常用的材料，40Cr 等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴，轴承钢 GCr15 和弹簧钢 65Mn 可制造较高精度的轴。本轴选用 45 钢作为材料就能满足其使用要求2. 轴承的选择由于本设计的轴只承受径向载荷，轴转速范围为 37-1600r/min ,极限转速较高,所以应选用极限转速较很高的轴承组合；另外由于主电动机的功率为 4kw，为小功率。因此该机床属于以径向载荷为主，所以选用深沟球轴承。轴承精度等级选用 5 级精度，型号为6304 型深沟球轴承。3轴的结构设计（1）拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装备方案是进行轴结构设计的前提，它决定轴的基本形式。所谓的装配方案就是预定出轴上零件的装配方向、顺序、和相互关系。该轴的零件装配方案是：齿轮、套筒、轴承、轴承端盖。（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1)初步确定轴的最小直径，选取轴的材料为 45 钢，调质处理。取 =112，取齿轮的传动效率0A0.97于是得 ，2233min040.9711.86pdAm取 mm，长度 mm。15d1L2）初步选用 60000 型深沟球轴承， ，故直径 mm，轴20471dDT20d肩高度 h=1.5，取 。故 ，取231.5m525L113) 取安装齿轮处的直径 ，采用套筒定位，轴肩高度 h0.07d，故取230dmh=2.5mm，取 40Lm4）齿轮左端部分起定位，故选取 ，采用轴肩定位，h0.07d，所以取30dh=5， 36l经过上述分析，已经初步确定轴的各段直径和长度。（3）轴上零件的周向定位为保证齿轮与轴的配合有良好的对中性，选用齿轮轮毂与轴的配合为 ，选用平键76HN。该轴左端编码器采用键键连接，选用 ，由于该轴只是传递速度，轴向870 518不受力，故无需对其进行强度校核。3.4.2 齿轮的设计在本次主轴箱数控化改造中，原变速箱的传动机构保持不变，拆掉带动进给机构的 V和 VI 轴，进给系统改用伺服电机驱动。为了防止漏油和灰尘的进入，在 V 轴上加个空堵。为了测量主轴转速，在 VI 轴的位置加上一根安装编码器的轴，实现和主轴的同步转速，轴上所用齿轮和主轴齿轮采用 1：1 的传动比。由于中心距已定，根据结构空间的要求，用类比演算的方法，确定该齿轮传动采用直齿圆柱齿轮传动，齿轮的齿数和模数分别为：Z=78,m=1.5。结论12本次设计是对 SK360 车床数控化改造，经过三个多月的努力。这次对车床改造的主要任务就是能够准确的测出主轴的转速，从而实现对进给系统的检测。通过对改造的分析，要测的主轴转速，应该把主轴转速给传递出来，在安装一个速度检测装置编码器，把编码器安装在传递主轴转速的那根轴，实现和主轴同步转速，能够测得主轴的转速。在整个改造设计过程中，我认为态度是至关重要的。用什么样的态度对待这次毕业设计，是能否高质量完成这次毕业设计的关键。积极的态度让我们迎着问题和困难而上，不惧风雨，最终我们将克服重重困难，收获成功。本次改造还有很多的不足之处，应用到生产实际中还需要大量的试验，毕竟理论和实际之间需要一个过度过程。即将走向工作的我们，在企业中要善于发现问题，勤于思考，把自己所学的理论和生产实际结合起来，我相信一定能够设计出更先进的产品。在整个改造设计的过程中，我感到这不仅是一次能力的升华，也是人格的一种完善，我认为，此次设计必将对我以后的工作、生活和学习产生巨大的影响，它给了我一次人生跳板。 致谢通过四年的学习，我们在任课老师、指道老师的耐心辅导、细心关怀和校方领导的精心安排下，按时完成了所学课程；在毕业设计过程中，得到了苗老师朱老师等老师的大力支持和帮助。特别是我们的指导老师苗晓鹏老师，在课题选择、方案的确定、资料借阅和设计过程中都给予了我详细的指导和帮助，使我们顺利完成教学规定的毕业设计；再通13过这次毕业答辩，经过各位专家、评委的认真点评与指导，我相信对我们树立正确的设计思想，培养我们严肃认真的科学态度和严谨求实的工作学风起道推进作用，为我们以后的工作提供极大的帮助；我借此对我们付出艰辛劳动、艰辛汗水、提供各种资料的任课老师和指道老师，为我们