【CAK6150普通机床机械结构的数控化改造设计3500字（论文）】

CAK6150普通机床机械结构的数控化改造设计摘要本论文提出将CAK6150车床数控化改造，主要是将主传动系统和进给系统改为用PLC控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。对于CAK6150车床的改造先从传动入手，改成数控所需要的传动方式，其次在选择电器模块及数控系统，两方面结合来完成对机床的数控化改造。针对改造过程我们的总体方案如下，纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的进给箱，不占据丝杠空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠，由横向步进电机带动丝杠螺母实现横向进给。配置自动刀架实现机床的自动换刀功能。关键词：CAK6150；数控车床；改造；控制目录第一章前言 1第二章数控车床主传动系统方案 12.1CAK6150数控卧式车床介绍 12.2总体方案设计要求 22.3设计参数 2第三章主传动机械结构改造设计 33.1主轴左端预紧调整结构进行调整 33.2对主轴左端的密封机构进行调整 33.3齿轮传动比的计算 4第四章横向机械传动部分的设计计算 54.1切削力的计算 54.2滚珠丝杠设计计算 64.3滚珠丝杠的选择 6总结 8参考文献 9第一章前言近年来，随着国内各种类型机床改造需求的扩大，机床改造已经逐渐形成了一个产业，其中绝大部分是数控机床的改造，也有一部分业务来自非数控机床的升级改造。我国制造业水平与发达国家相比，总体水平偏低，这直接影响到我国工业产品质量的提高和制造成本的降低，影响到我国工业产品的国际市场竞争力。为了改变这种落后状况，必须提高制造业的装备水平，特别是机床的数控化率。购置数控机床是提高机床数控化率的途径。同时，对旧机床数控化改造，也是提高机床数控化率的重要途径之一。对于机床的数控化改造，能提高对旧的机床的从新利用，节省成本，同时也提高了机床的数控化率，提高工业制造的生产率。数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多。第二章数控车床主传动系统方案2.1CAK6150数控卧式车床介绍1-带轮；2-拨叉轴承；3-双联滑移齿轮；4-变速箱；5-主轴；6-光栅图2.1CAK6150主传动图在上图的CAK6150数控卧式车床的传动系统中，主运动传动由主轴直流伺服电机(27kW)驱动，经齿数为27/48的同步齿形带传动到主轴箱中的轴Ⅰ上。再经轴Ⅰ上双联滑移齿轮，经齿轮副84/60或29/86传递到轴Ⅱ(即主轴)，使主轴获得高(800～3150r／min)、低(7～800r／min)两挡转速范围。在各转速范围内，由主轴伺服电机驱动实现无级变速调速。主轴箱内部省去了大部分齿轮传动变速机构，因此减小了齿轮传动对主轴精度的影响，并且维修方便，振动小。同时，主轴的运动经过齿轮副60/60传递到轴Ⅲ上，由轴Ⅲ经联轴节驱动圆光栅。可实现：主轴每转一圈，进给轴Z轴或X轴就可移动一个导程。机床主轴是一个空心的阶梯轴，如上图所示。2.2总体方案设计要求（1）改造前要求机床的状况良好，各种基础构件有足够的刚性，机械性能良好，符合数控改造的要求。（2）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，控制精度Z轴为0.01mm，X轴为0.005mm因此，数控系统选连续控制系统。3）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（4）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床的系统一般采用国产机床系统，如广州数控设备厂的GSK980TA数控系统，其为两轴联动，功能比较齐全，价格便宜。2.3设计参数设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。改造CA6140机床设计参数如下：最大加工直径：在床面上400mm在横刀架以上210mm最大加工长度：1000mm快进速度：纵向2.4m/min；横向1.2m/min最大切削进给速度：纵向0.5m/min；横向0.25m/min溜板及刀架重力：纵向800N横向600N主电机功率：7.5KW控制坐标数：2最小指令值（脉冲当量）：纵向0.01mm/脉冲横向0.005mm/脉冲进给传动链间隙补偿量：纵向0.15mm横向0.075mm第三章主传动机械结构改造设计主传动系统的传动结构全部不要，采用电机直接驱动主轴的无极变速结构。3.1主轴左端预紧调整结构进行调整由于原来的调整螺母和紧定螺钉的调整机构其传递力或转矩不大，且不是很合理。故将其改为双螺母预紧调整机构。由于普车改数控，其本身机床转速较低，且运行平稳，故采用此机构。在原先的CAK6150轴承间隙调整中，都是采用螺母预紧和调节轴承间隙。双螺母来调节，可以提高预紧量和调整方便，但是两螺母通过一个圆柱销来连接，这样设计在高速转动中，由于转速很高，对这种不对称安装的装置会产生较大的圆周力，从而是主轴产生变动，大大的降低了主轴的传动的精度。所以在此预紧方法的基础上在加一个圆柱销，是其与原来的对称。这样就不会产生圆周离心力，对主轴的精度产生影响。3.2对主轴左端的密封机构进行调整对密封装置做改变如下：图3.1迷宫密封外圈此密封装置为迷宫试密封组合，这样的结构，可以避免和防止在加工中冷却液的外流。冷却液易污染环境和使机床的腐蚀。同时因为在高速加工中，轴的转速高，容易将轴上零件的温度提升，使轴上零件产生变形和损坏，必将要对次进行降温，所以保证冷却液不外流是很重要的。其原来的轴承类型不换，对轴承润滑密封机构进行调整，采用迷宫式轴承挡圈，这样既可固定轴承，同时可以对轴承润滑油进行密封，且迷宫式密封机构的密封性能较好。3.3齿轮传动比的计算齿轮传动比计算公式为[6]（3-1）式中—步进电动机的步距角，查《实用微电机手册》[7]，选；—丝杠螺距，取；—脉冲当量，取。则故可取齿轮齿数：。齿轮的材料采用40Cr，调质处理，精度等级取7级。前后轴承选用8024型流动轴承，齿轮传动时效率。查《机械设计手册》[2]，根据优先选用第一系列的原则，因进给运动齿轮受力不大，取模数m=2mm。有经验公式可知，齿宽b=20mm。压力角：分度圆直径由式（3-2）中心距由式（3-3）第四章横向机械传动部分的设计计算4.1切削力的计算图4-1横向进给计算简图因为横向进给为纵向进给的1/3～1/2，取1/2，则横向主切削力大约为纵向的1/2。（4-1）此时走刀抗力为，吃刀抗力为。仍按上述比例粗略计算（4-2）4.2滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠的选型方案可参照纵向机械传动部分的数控化改造和设计计算中的选型方案及选择原因选择横向滚珠丝杠，即（1）螺纹滚道型面选用双圆弧面。（2）滚珠循环方式选用外循环。（3）轴向间隙的调整和预紧力选用双螺母垫片式预紧。（4）计算进给牵引力。可根据《机床设计手册》中进给牵引力的试验公式计算，横向为燕尾形导轨，可由式（4-3）则滚珠丝杠的转速n。可由下式求得（4-4）丝杠寿命系数L。可由下式求得（4-5）丝杠工作的动载荷C。可由式（4-5）求得。其中，，则（4-6）4.3滚珠丝杠的选择根据C＜的原则，使选用的滚珠丝杠的额定动载荷大于计算的最大工作载荷。查《机械零件设计手册》，由于导程为4mm，所以选取滚珠丝杠的型号为CDM2004—5,其额定动载荷是10639N＞7283N，故强度足够。CDM2004—5表示的滚珠丝杠外循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式的滚珠丝杠，其为右旋螺纹，载荷钢球为2.5圈，精度为3级的定位滚珠丝杠副。具体数据见表4-1.表4-1CDM2004—5型滚珠丝杠参数公称直径/mm基本导程/mm钢球直径/mm丝杠外径/mm螺纹底径/mm额定载荷/N接触刚度/(N/um)d0P0Dwd1d2动载荷Ca静载荷C0a2052.38119.717.010639287221178螺母安装连接尺寸/mmDD1D3D4BD5D6hLL1CAM40-8553115.81061003943M6总结这次课题设计总计费时之久，刚开始时不知从何下手，在老师的指导下到图书馆查阅相关资料。有关数控上的资料翻了数次，有参考了相关设计资料，终于知道了该怎么做。接下来塞选出一系列有价值的资料，与同组同学不断的讨论、向老师请教，终于完成了设计。当然，在此过程中也有许多不足之处，例如：知识的不全面，所学的还没有全部掌握，思维的狭隘等，让我在毕业前上了生动形象的一课。同时，做设计也是磨练决心与毅力的过程，面对复杂冗长的数据，打印长篇的论文，我也想过放弃，但想到它的意义我就又坚持了下来。做完了后，有一种豁然开朗的感觉，内心激动无比，经过了这次设计以后，我有信心，我也坚信只要努力、坚持，我们就能走好人生的每一步。参考文献赵中敏.机床数控化改造可行性分析及其技术途径[J].世界制造技术与装备市场2016，(2):99-100.王爱玲.现代数控原理及控制系统[M].北京:国防工业出版社，2012.CSK928Tca-L车床数控系