CA6150车床数控化改造设计

题 目： CA6150 车床数控化改造设计姓 名：班级学号：指导教师：摘 要目前，我国拥有 300多万台机床，是生产和使用机床最多的国家之一, 但现有机床大多数服役年龄较长.大都是多年来生产积累的通用机床，设备陈旧落后.柔性和自动化程度低。要想在短时期内大量地更新现有设备，无论从资金还是国内机床制造厂的生产能力都很难做到。对于机床进行数控化改造投资少，见效快，是机械制造厂挖掘技改的一条成功之路。 对 CA6150车床进行数控化改造，使其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。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。加工零件的精度高，尺寸分散度小，拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能。降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，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。在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生业。从事再生业的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US 设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。由于数控机床具有自动化程度高加工精度高,质量稳定,便于生产管理现代化等特点.数控机床的应用越来越普及,也是制造业现代化的必然趋势.如果全部淘汰旧机床而采用新的数控机床不仅所需资金太大,而且会造成原有设备的闲置和浪费. 我国的再制造技术研究起步较晚.迫切需要大力发展,即能充分利用原有的旧设备资源,减少浪费又能够以较小的代价获得性能先进的设备,满足现代化生产的要求.关键词 流伺服电机;精度修复;润滑;数控系统AbstractAt present, China has more than 300 million Taiwan machine tools, production and use of machine tools is one of the largest, but most of the existing machine tools serving older. Mostly for the production of generic machine tools accumulation, equipment outdated. Soft and low level of automation. If in a short period of time to update the existing equipment, whether from internal funds or machine tool factory capacity will be very difficult to achieve. Numerically controlled machine tools for the transformation of the investment, effective, and is a machinery factory excavation technological transformation on the road to success. CA6150 lathe for digital technology to transform so that it can not be processed by the processing of the curve of traditional machine tools, camber and other complex components. Automated processing can be achieved, but flexible automation to increase efficiency comparable traditional machine tools 37 times. High-precision processing components, small size dispersion degree, have automatic warning, automatic control, automatic compensation, and many other self-regulatory functions. Reduced labor intensity of the workers, labour savings, reducing suits, thus shortening the production cycle and new product testing cycle, rapid response to market demand, and so on. In the United States, Japan, Germany, and other developed countries, the transformation of their machine tools industry as a new economic growth, business vitality, are in a golden age. As machine tools, and technical progress, the transformation is a machine tool eternal issue. Chinas machine tool industry transformation, but also from old industries to digital access to the new technology-based industries. In the United States, Japan, Germany, using digital technology to transform machine tools and production lines will have broad market, has formed a numerically controlled machine tools and production lines of the new industries. In the United States, the machine tool industry as machine tools to transform renewable industry. There are well-known companies engaged in renewable industry : Bertsche Engineering, ayton Machine Tool Company, Devlieg-Bullavd (a treasure) service groups, U.S. equipment companies. Po companies in the United States to China for the company. In Japan, the machine tool industry as machine tools modified transformation industry. Modification of the famous companies in the industry : large cove engineering group, Post 3 Machinery Company, the plane section Tian companies, engineering companies wild Miyazaki, Hamada Engineering, the engineering company hill. The digital machine with a high degree of automation for processing high accuracy, quality stability, ease of production characteristics of modern management. Numerically controlled machine tools applications growing popularity is the inevitable trend of modern manufacturing. If all out of the old machine tools and the introduction of new digital machine is not only the necessary funds, but will also cause the original equipment idle and waste. My re-manufacturing technology research started rather late. the urgent need to develop, namely the old equipment to fully utilize existing resources, reduce waste and the costs can be advanced to the smaller equipment to meet the requirements of modern production.Keywords Electrical exchange ；servo;Precision repair ；Lubricant ；Digital systems目 录摘 要 .IAbstract .II第 1 章 设计方案的论证.31.1 数控系统的选择.31.2 滚珠丝杠螺母副与电机的连接.3第 2 章 机械部分的改造.52.1 对机床进行恢复精度.52.2 X 向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算 .52.2.1 滚珠丝杠副支撑方式的选择 .52.2.2 精度选择 .62.2.3 丝杠导程 P 的确定 .62.2.4 根据类比法初步确定丝杠规格 .62.2.5 承载能力校核 .62.2.5.1 切削力的计算.72.2.5.2 摩擦阻力 F1 的计算 .72.2.5.3 承载能力校核.82.2.6 交流伺服电机选择计算 .82.2.6.1 加减速时扭矩初步确定伺服电机型号.92.2.6.2 最高转速校核.102.2.6.3 电机轴上的负载惯量校核.112.3 Z 向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算 .112.3.1 滚珠丝杠副支撑方式的选择 .112.3.2 精度选择 .112.3.3 丝杠导程 P 的确定 .112.3.4 根据类比法初步确定丝杠规格 .122.3.5 承载能力校核 .122.3.5.1 摩擦阻力 F1 的计算 .122.3.5.2 承载能力校核.122.3.5.3 压杆稳定性校核.132.3.5.4 丝杠刚度的校核.142.3.6 交流伺服电机选择计算 .142.3.6.1 加减速时扭矩初步确定伺服电机型号.142.3.6.2 最高转速校核.152.3.6.3 电机轴上的负载惯量校核.162.4 溜板箱纵横向滚珠丝杠和导轨润滑.162.5 通过从厂家所得到的技术资料画纵向和横向滚珠丝杠装配图.162.5.1 X 向和 Z 向滚珠丝杠装配图的设计过程 .162.6 主轴箱和拖板箱的改造.172.7 安全防护.17第 3 章 数控系统的加装.183.1 数控系统的发展趋势.183.1.1 趋势之一：数控系统向开放式体系结构发展 .183.1.2 趋势之二：数控系统向软数控方向发展 .183.1.3 趋势之三：数控系统控制性能向智能化方向发展 .193.1.4 趋势之四：数控系统向网络化方向发展 .193.1.5 趋势之五：数控系统向高可靠性方向发展 .203.1.6 趋势之六：数控系统向复合化方向发展 .203.1.7 趋势之七：数控系统向多轴联动化方向发展 .213.2 交流伺服电机驱动的车床数控系统的选择.213.3 北京航天数控系统有限公司最新推出的 CASNUC2100E 数控系统的性能 .223.3.1 系统简介 .223.3.2 系统特点 .223.3.3 系统性能 .223.3.4 系统简介 .233.4 数控自动换刀刀架的选择.243.5 电器原理图.24第 4 章 结论 .26参考文献 .27致 谢 .28附录 1 .29第 1 章 设计方案的论证1.1 数控系统的选择方案 1 步进电机拖动的开环系统 该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。方案 2 交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。根据数控改造后机床要达到较高的精度，快速定位 X 轴 5m/min ,Z轴 10m/min最小移动单位 X 轴 0.0005mm , Z轴 0.001mm，并且， 直流伺服电机有电刷和换向器，必须定期的维修，而交流伺服电机采用全封闭无刷机构，不需要定期的维修，交流伺服电机比直流伺服电机有更优越的性能.得到越来越广泛的应用。所以，方案 3比较合适。1.2 滚珠丝杠螺母副与电机的连接方案 1 采用齿轮连接这种方法可以降低丝杠工作台在系统中所占的比重，提高进给系统的快速性。可利用伺服电机高速底转矩的特性。在开环系统中还起到机械和电器的匹配作用。但是，传动装置结构简单降低传动效率增加噪声。传动级数的增加必将带来传动部件间隙和摩擦的增加，从而影响进给系统的性能。传动齿轮副的存在，在开环和半闭环系统中，将影响加工精度。方案 2 采用连轴器连接直接连接这是一种最简单的连接，这种形式具有扭转刚度。传动机构本身无间隙。传动精度。而且结构简单。安装方便。在输出扭矩要求在 15-40Nm左右的中小型机床或高速加工机床中非常普遍。综上所素，由于 CA6150车床属于中小型机床，控制系统采用半闭环，为了提高机床精度方案 2 较合适。 第 2 章 机械部分的改造2.1 对机床进行恢复精度机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。更换主轴的齿轮和轴承。根据当前国内外成品数控机床的导轨采用淬硬的合金钢材料，其耐磨性比普通铸铁导轨高 5至 10倍。据此，在改造中利用CA6150车床旧床身，采用 GCR15轴承钢淬硬到 HRC56-62制成对称三角行导轨和矩形导轨，对称三角行导轨在垂直载荷的作用下，磨损能自动补偿，不产生间隙，故导向精度高。压板还有间歇调整装置。矩形导轨结构简单，制造检验和修理方便，导轨较宽，承载能力大，刚度高，应用广泛。三角行导轨和矩形导轨组合它间有两种导轨优点，并避免了由于热变形所引起的配合变化。用螺钉和粘剂固定在铸铁床身上。粘接前的导轨工作表面采用磨削加工，表面粗糙度 Ra0.8mm，以提高粘接强度。最后，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。2.2 X 向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算2.2.1 滚珠丝杠副支撑方式的选择X向选择固定-自由式，如图 2.1。图 2.1 X向支撑方式单列圆锥滚子轴承这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。所以 X向固定端选择一对单列圆锥滚子轴承。2.2.2 精度选择滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,其导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意 300mm 行程变动量 V300p应小于目标设定位的定位精度值的 1/31/2,在最后精度验算中确定。初选 X 向三级。2.2.3 丝杠导程 P 的确定丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为 Vmax、伺服电机的最高转速Nmax、及电机与丝杠的传动比 i 来确定,基本丝杠导程应满足式 2.1 为:P （2.1Nmax*iV） 式中： Vmax=5000mm/min nmax=3000r/min i=1 P=5000/3000=1.7mm 车床改造中取 P4，5，6，8。 所以取 P=4mm 2.2.4 根据类比法初步确定丝杠规格关于根据类比法：L1=L2*K式中 L1新选滚珠丝杠公称直径 mmL2-原机床丝杠公称直径 25mmK-系数（0.60.9）所以 L1=25*0.8=20mm根据工作台 X向移动距离选滚珠丝杠的螺纹长 350mm，设计需要初选滚珠丝杠总长Lp=400mm。滚珠丝杠的滚珠内循环方式时滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸较小。选用双螺母齿差预紧式可实现定量调整即可进行精密调整，使用中调整非常方便。为了使滚珠丝杠副运转灵活，延长使用寿命，必须考虑充足的润滑条件。汉江丝杠厂已在螺母法兰外圆上考虑了润滑油孔，供顾客使用。所以初选汉江丝杠厂生产的HJG-S 系列 FYND20*4R-3-P3-400-350。2.2.5 承载能力校核2.2.5.1 切削力的计算车床的用途不同，切削条件和切削用量就不同，因此切削力就不同。對于专门用途的车床改造，应根据其切削用量按切削力计算公式计算切削力。对于变动工作用量的车床改造，用经验公式计算切削力。本车床属于变动工作用量的车床改造，所以用经验公式 2.2 计算切削力，个切削力之比为公式 2.3，切削力方向如图 2.2Fc=0.67D15 （2.2）Fc：F f：F p=1:0.1:0.15.（2.3）式中，D 为车床床身上的最大回转直径(mm)。Fc 为垂直向的切削力（N ）Ff为进给方向上的分力（N）Fp 为吃刀方向上的分力（N）图 2.2 切削力方向D=500(mm)Fc=0.67*50015 = 7490.83NFf=0.1 Fc=0.1*7490.83=749.08NFp=0.15 Fc=0.15*7490.83=1123.62N2.2.5.2 摩擦阻力 F1 的计算溜板箱与导轨为滑动摩擦，摩擦系数 u（0.0802）取 u=0.1,因主切削力压向导轨，则由式 2.4得：F1=（G+ F c）*u（2.4）式中 G-工作台质量 200kgF1=（200*10+7490.83）*0.1=949.08N2.2.5.3 承载能力 校核由式 2.5 计算丝杠的最大动载荷 QQ= （2.5）owHCPfLmax3式中 L为滚珠丝杠的寿命系数（单位为 1* ）L=60NT/ 其中 T为使用610 610寿命时间（H）,（普通车床为 500010000，数控机床及其他机电一体化设备及装置仪器为 15000，航空机械为 1000）所以取 T=15000，奠基最大转速 N=3000为硬度系数（HRC 58 时为 1.0，等于 55 时为 1.11，52.5 时为 1.35，50Hf 时为 1.56，45 时为 2.40）因为 HRC=58，所以 =1.0Hf载荷系数（平稳或轻冲击时为 1.01.2 中等冲击时为 1.21.5，wf较大冲击时为 1.52.5）机床属于中等冲击所以 =1.2wfQ-最大动载荷= Fp +F1=1123.62+949.08=2072.68NmaxP则 Q= =28861.57N207.68*.10/15*30663）（根据汉江丝杠厂生产的 HJG-S 系列 FYND20*4R-3-P3-400-350 丝杠额定载荷=38639 Q(所以满足使用)oC2.2.6 交流伺服电机选择计算 由于交流伺服电机比直流伺服电机有更优越的性能、得到越来越广泛的应用。在选择电机时应考虑满足以下五项要求。以使交流伺服电机的工作性能得以充分发挥。2.2.6.1 加减速时扭矩初步确定伺服电机型号(1) 求等效到电机轴上的转动惯量采用最不利于机床启动时速度，这里选用快速定位速度iV= 5m/min， =3000r/min， =200kgi kniM丝杠的转动惯量 = Lp* =7.8* *40* =0.5（kg ）=0.5* （kg ）sJ41L4_0424_102cm4_102m设电机转子的转动惯量为 =0.64* （kg ）m则等效到电机轴上的转动惯量为：= *200*(5/3000) + + =1.29* （kg ）kJ2412mJs4_102(2) 丝杠摩擦阻力矩的计算。由于丝杠承受轴向载荷，又由于采取了一定的预紧措施，故滚珠丝杠会产生摩擦阻力矩。但由于滚珠丝杠的效率高，其摩擦阻力矩相对于其他负载力矩小的多，故一般不与考虑。(3) 等效负载转矩 。mT= = =0.34(Nm)mT0/*1Ff2nVi03/5*08.149.72(4)启动惯性阻力矩 T的计算。以最不利于电机启动时的快进速度计算，设启动加速或制动时间为t=0.3s 电机转速 ,取加速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为60/2nm（2.6tn）=314（1/s）60/3*2m=1046.67（1/ ）.142/1T= =1.29* *1046.67=0.14(Nm)mkJ4_0(5) 电机输出轴上总负载转矩的计算 =T+ （2.Tm7） =0.34+0.14=0.48(Nm)(6)上述计算均没考虑机械系统的传动效率，并且在车削时，由于材料的不均匀等因素的影响，会引起负载转矩突然增大，为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大等引起加工误差，可以适当考虑安全系数。安全系数一般在 1.2-2之间选取，取安全系数 K=1.5，选择机械传动总效率 =0.7时=K / =1.5*0.48/0.7=1.031T初选三菱公司生产的 HC-KFS系列交流伺服电机 43（BG）型号(与之相配的伺服放大器型号 MR-J2S-40A/B)其额定转矩为 1.3(Nm)大于 ，所以满足要求。1T2.2.6.2 最高转速校核快速行程的电机转速必须严格限制在电机的最高转速之内。* （2.8PiVmNax310）式中 N max 电机最高转速, r/minN 快速行程中电机转速, r/minV m 工作台(或刀架) 快速行程速度, m/mini 系统传动比, i= N 电机/N丝杠P 丝杠螺距,mmN max= 3000， V m =5， i=1， P=4N=（ 5/4） * =1250 Nmax 310所以满足要求。2.2.6.3 电机轴上的负载惯量校核转换到电机轴上的负载惯量负载惯量应限制在 2.5 倍电机惯量之内X向 HC-KFS系列交流伺服电机 43（BG）型号电机转动惯量 J1=0.67* （kg ）4_102m则等效到电机轴上的转动惯量为： =1.29* （kg ）kJ4_102m0.67* *2.5 所以满足要求。4_10kJ2.3 Z 向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算2.3.1 滚珠丝杠副支撑方式的选择由于固定-支承适用于中等转速、高精度。所以 Z向选择固定-支承式。如图2.3。图 2.3滚珠丝杠副支撑方式Z向的固定端选择一对单列圆锥滚子轴承。Z 向支撑端选择一个深沟球轴承。2.3.2 精度选择滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,其导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意 300mm 行程变动量 V300p应小于目标设定位的定位精度值的 1/31/2,在最后精度验算中确定。初选 Z向四级。2.3.3 丝杠导程 P 的确定丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为 Vmax、伺服电机的最高转速 Nmax、及电机与丝杠的传动比 i 来确定,基本丝杠导程应满足式 2.1 为:P （2.9） Nmax*iVvmax=10000mm/minnmax=3000r/min i=1P=10000/3000=3.3 mm 车床改造中取 P4，5，6，8所以取 P=4mmN=（ 10/4） * =2500 Nmax310所以满足要求2.3.4 根据类比法初步确定丝杠规格关于根据类比法：L=L1*K式中 L新选滚珠丝杠公称直径 mmL1-原机床丝杠公称直径 40mmK-系数（0.60.9）所以 L=40*0.8=32mm根据工作台 X向移动距离选滚珠丝杠的螺纹长 1000mm根据设计需要初选滚珠丝杠总长 1200mm所以初选汉江丝杠厂生产 Z向 HJG-S 系列 FYND32*4R-3-P4-1200-10002.3.5 承载能力校核2.3.5.1 摩擦阻力 F1 的计算溜板箱与导轨为滑动摩擦，摩擦系数 u（0.0802）取 u=0.1,因主切削力压向导轨，则由式 2.4得：F1=（G+ F c）*u（2.11）F1=（G+ F c）*u=（400*10+7490.83 ）*0.1=1149.08N2.3.5.2 承载能力 校核由式 2.12 计算丝杠的最大动载荷 QQ= （2.12owHCPfLmax3）式中 L=60NT/ ,取 T=15000，N=3000； =1.0， =1.2，610Hfwf= Ff +F1 =749.08+1149.08=1898.16NmaxPo则 Q= =31889.09 N189.6*2.01/5*30663）（根据汉江丝杠厂生产的 HJG-S 系列 FYND32*4R-3-P4-1200-1000丝杠额定载荷 =60803 Q(所以满足使用) oC2.3.5.3 压杆稳定性校核轴向固定的长丝杠在承受压缩负载时,应校核其压杆稳定性,Z 向是长丝杠，所以需要校核。临界压缩载荷按下式进行校核计算: max22)/(PKLEIfPk式中:E 为丝杠材料的弹性模量;I为最小惯性截面矩为压杆稳定的支撑系数如表 2.1kf固定固定 4固定支承 2支承支承 1固定自由 0.25表 2.1 稳定的支撑系数实际承受载荷能力kP如果 时会使死杠失去稳定易发生翘曲。max式中 =2，E=2.1* Pa，I= = =3.83（ ）kf810432d45.4cm取 K=4，L=120cm则 =2.51* N (所以满足使用)10*/(.*.228kP51maxP2.3.5.4 丝杠刚度的校核滾珠丝杠在轴向力的作用下产生拉伸或压缩。在扭矩的作用下产生扭转，这將引起丝杠导程的变化，从而影响其传动精度及定位精度，因此滾珠丝杠应演算满载时的变形量。滾珠丝杠在工作负载 P和扭矩 M的作用下引起那种每一导程的变化量 L 为：L= （2.12IEMlSPo2）式中 导程 =0.4cmol钢的弹性模量 E=2.1* Pa810丝杠的最小截面积 S= = =19.63（ ）21d5.2cm丝杠的小径的截面积 I=3.83（ ） ，4c扭矩 M=784，工作负载 P= =1898.16NmaxP则 L= = 0.0344um828 10*.36746.19*0.2而 Z轴的最小移动单位 0.001mm 0.0344um (所以满足使用)2.3.6 交流伺服电机选择计算2.3.6.1 加减速时扭矩初步确定伺服电机型号（1）求等效到电机轴上的转动惯量Z向 = 10m/min， =3000r/min， =400kgiVkniM丝杠的转动惯量 =7.8*3 *120* =7.58（kg ）=7.58* （kg ）sJ44_102cm4_102m设电机转子的转动惯量为 =2.6* （kg