【JG006】C616普通车床改造为经济型数控车床[2A0]
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【JG006】C616普通车床改造为经济型数控车床[2A0],jg006,c616,普通,车床,改造,经济型,数控车床,a0
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山东大学 毕业设计（论文） 通车床改造为经济型数控车床 专 业： 机电一体化 学 生： 杲亮 准考证号： 029107200895 指导老师： _ _ 毕业设计（论文）时间： 2010 年 11 月 10 日 2011年 6月 15 日 目录 摘要 1 1 数控技术及发展趋势 3 2 设计方案的确定 7 计任务 8 体设计方案的确定 8 3、机械部分改造与设计 8 向进给系统的设计与计算 8 向进给系统的设计与计算 14 4、步进电机的选择 18 进电机选用的基本原则 18 进电机的选择 19 5、机床导轨改造 20 6、自动转位刀架的选用 21 7、经济型数控机床改造时数控系统的选用 22 8、 典型零件的工艺设计及应用程序的编制 23 艺分析 1 24 作坐标系的设定 25 动钻孔 25 制加工程序 25 9、 济型数控车床的故障分析 26 障分析与维修方法 27 见的故障现象及分析 28 10、当今普通车床改造为经济型数控车床的意义和出现的反面 29 今普通车床改造为经济型数控车床的意义 29 今普通数控车床改造为经济型数控车床出现的反面现象 30 小结 33 参考文献 34 摘要 本篇是围绕将普通车床改造成经济型数控车床展开设计的，经济型数控车床是指价格低廉、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车床。 在我国，经济型数控车床因其价廉而得到广泛的应用。 中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧车床进行改造，实现数控化、自动化。经济型数控车床系统就是结合现实的生产实际，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。利用计算机造现有的普遍车床，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。 关键词： 普通车床 经济型数控车床 中小企业 计算机 导轨 山东大学毕业设计（论文） is to NC is an of NC of a of to to is of s to as as to is in a of in of on to on of of of is to a of a of 录 .设计方案的确定 .纵向进给系统的设计 .纵向进给系统的设计计算 . 11 向进给系统的 设计 . 11 . 11 4、步进电机的选择 .步距角 .精度 .转矩 .启动频率 . . .故障分析方法 .维修方法 .济型数控车床不再受宠 .存增加值得警惕 .点可能在近年 .结 .考文献 .东大学毕业设计（论文） 第 1 页 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以 式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态 。 近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等，出口的数控机床品种以中低档为主。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾 经说过 “ 各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，有什么劳动资料生产 ” 。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用的数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在 “ 高精尖 ” 数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世 界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：（ 1）机械制造技术；（ 2）信息处理、加工、传输技术；（ 3）自动控制技术；（ 4）伺服驱动技术；（ 5）传感器技术；（ 6）软件技术等。 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对 国计民生的一些重要行业（ 车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。 精加工技术及装备的新趋势 山东大学毕业设计（论文） 第 2 页 效率、质量是 先进制造技术 的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日 本先端技术研究会将其列为 5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会（ 其确定为 21 世纪的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒 /辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料 “ 掏空 ” 的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到 提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 从 会情况来看， 高速加工中心 进给速度可达 80m/至更高，空运行速度可达 100m/右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国 司的床进给速度最大达 60m/速为 100m/速度达 2g，主轴转速已达 60000r/工一薄壁飞机零件，只用 30同样的零件在一般高速铣床加工需 3h，在普通铣床加工需 8h；德国 司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/ 1g。 在加工精度方面，近 10 年来，普通级数控机床的加工精度已由 10m 提高到 5m ，精密级加工中心则从 3 5m ，提高到 1 并且超精密加工精度已开始进入纳米级 (。 在可靠性方面，国外数控装置的 已达 6 000h 以上，伺服系统的 达到 30000h 以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 2. 5 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用 刀具 最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为， 1 台 5 轴联动机床的效率可以等于 2 台 3 轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材 料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时， 5 轴联动加工可比 3 轴联动加工发挥更高的效益。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂山东大学毕业设计（论文） 第 3 页 等原因，其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了 5 轴联动机床的发展。 当前由于电主轴的出现，使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床（含 5 面加工机床）的发展。 在 会上，新日本工机的 5 面加工机床采用复合主轴头，可实现 4 个垂直平面的加工和任意角度 的加工，使得 5 面加工和 5 轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国 司展出 列加工中心，可在一次装夹下 5 面加工和 5 轴联动加工，可由 统控制或 接或间接控制。 3. 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机 参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的 自动编程 、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对 开 放 式 数 控 系 统 进 行 研 究 ， 如 美 国 的 欧共体的 日本的 中国的 。数控系统开放化已经成为 数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系 统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如山东大学毕业设计（论文） 第 4 页 敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在 中，日本山崎马扎克（ 司展出的 “（智能生产控制中心，简称 日本大隈（ 床公司展出 “IT （信息技术广场，简称 场 )；德国西门子 (司展出的 放制造环境， 简称，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 4. 重视新技术标准、规范的建立 （ 1） 关于数控系统设计开发规范 如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范 (研究和制定，世界 3 个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在 2000 年也开始进行中国的 控系统的规范框架的研究和制定。 （ 2） 关于数控标准 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的 50 年间的信息交换都是基于 准，即采用 G， M 代码描述如何（ 工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的 统标准 其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 出现可能是数控技术领域的 一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先， 出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中， 工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下， 序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次， 控系统还可大大减少加工图纸（约 75）、加工程序编制时间（约 35）和加工时间（约 50）。 目前，欧美国家非常重视 洲发起了 划 (参加这项计划的有来自欧洲和日本的 20个 户、厂商和学术机构。美国的 司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型 (其目标是用统一的规范描述所有加工山东大学毕业设计（论文） 第 5 页 过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了 及欧洲 控系统的原型样机上进行了验证。 2设计方案的确定 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。 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。 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/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。 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。 向进给系统的设计计算 已知条件： 山东大学毕业设计（论文） 第 6 页 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） 山东大学毕业设计（论文） 第 7 页 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 山东大学毕业设计（论文） 第 8 页 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 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 可忽略 ,即： L= 以： 导程变形总误差为 = 0100=10m/m 查表知 1 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 山东大学毕业设计（论文） 第 9 页 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 ( 东大学毕业设计（论文） 第 10 页 = 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。 10m 当 n= Ma =4 10m= f 当 n= at 01000i =10 00 = 10m= f 2 00=2 0 当 0= f = =f 山东大学毕业设计（论文） 第 11 页 =2 0(12) 当 0=0=31 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 = 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。 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。 山东大学毕业设计（论文） 第 12 页 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= / 速进给速度 m/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 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 山东大学毕业设计（论文） 第 13 页 =)( tg 01833( 383 tg ）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载 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 1 15 m/m
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