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三江学院本科毕业设计(论文)题目普通车床的数控化改造研究机械工程系机械设计制造及其自动化(数控技术)专业学号G095152021学生姓名钱嘉宇指导教师季鹏起讫日期
2012.
12.17-
2013.
4.5设计地点三江学院摘要在数控机床发展的今天它能够很好地适应现代产品制造的需求主要是可以进行精确的大批量零件的生产大大降低了劳动力但是旧有的普通机床仍然占据了机械中很大的比例这已经不能满足现代生产的需求.由于__新机床成本较高旧有的机床处理比较困难所以对于一些高的场合对旧机床的改造旧成为了一个不错的选择.本课题就是通过对CQ6132普通车床进行数控化改造方案的研究来了解和实践这项技术关键字车床;改造;方案设计;ABSTRACTInNC__chinetoolsinthedevelopmentoftodayitcanwellmeettherequirementofmodern__nufacturingthe__inisthe__ssproductionpartscanbeaccuratelygreatlyredu__sthelaborfor__.Butontheold__chineisstilloccupyagreatproportioninthe__chineryitcannotmeettheneedsofmodernproduction.Duetobuyanew__chinecostishighertheold__chinetoolpro__ssingisdifficultsohighforsomeoccasionstheold__chinetoolofreformingtheoldbecomesagoodchoi__.ThistopicisbasedonCQ6132ordinarylathenumericalcontroltransfor__tionplanofstudytounderstandandpracti__thetechnique.Keywords:lathe;transfor__tion;plandesign;目录TOC\o1-3\h\z\u第一章绪论
11.3数控机床的组成和分类
31.4数控机床的特点
52.1CQ6132车床改造的总体方案
72.2主要参数
82.3进给系统的设计
82.4控制系统的软件部分
82.5改造后机床的特点
910113.2软件功能
113.3系统功能
112454.1主运动传动系统的设计
154.2数控机床主传动方式及其特点
154.3小结16第五章机床进给传动系统的改造
175.1机床进给系统
175.2滚珠丝杠的选用及支撑方式
175.3滚珠丝杠传动的优点
175.4纵向进给系统的设计计算
185.5伺服驱动系统的选择
215.6进给系统的一些其它要求22第六章支承件的改造
236.1支承件的特点
236.2导轨的现状
236.3导轨的类型及选取24第七章辅助装置的选用
267.1刀架的选择
267.2机床设备的润滑及冷却
267.3小结26结束语27HYPERLINK\l_Toc263252323致谢28HYPERLINK\l_Toc263252324____29第一章绪论
1.1本文选题的背景及意义
1.
1.1数控机床我国的发展现状我国是世界上机床产量最多的国家,但在国际市场竞争中仍处于较低水平;即使国内市场也面临着严峻的形势一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求而另一方面却有不少国产机床滞销积压国外机床产品充斥市场90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右而95年已达77%严重影响我国数控机床自主发展的势头这种现象的出现除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进新产品包括基型、变型和专用机床的__周期长从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品具体地说这个问题反映在下列五个方面:1我国机床厂目前__基型产品的周期约为15~18个月其中设计时间约为5~8个月占总周期的40%左右而国外一些先进机床厂同类基型产品的__周期为6~9个月其中设计约
1.5~2个月只占25%因此无论是产品__的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距2我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等自行__的新产品大多基于直观经验和类比设计使设计一次成功的把握性降低往往需要反复试制才能定型从而可能错过新产品推向市场的良机3用户根据使用需要在订货时往往提出一些特殊要求甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件在国外这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周而在我国机床厂用手工操作就至少需1~2个月且由于这些图纸和文件涉及多个部门常会出现漏改和失误的现象影响了产品的质量和交货期4现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数他们的专业知识和实际经验不足又担负着__的重任5由于__以来形成的设计、工艺和制造部门分立缺乏有效的协同__的模式不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见容易造成产品的反复修改延长了__的周期为解决这些问题必须对产品__的整个过程综合应用计算机技术发展优化和仿真技术提高产品结构性能并建立起基于并行工程ConcurrentEngineering的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟__环境使用相应的产品虚拟__软件,这样才能有效地解决产品__的__局面使企业取得良好的经济效益
1.
1.2机床数控化改造的必要性我国目前机床总量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
0.6~
0.8万台,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__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、__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__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
1.2机床数控技术的基本概念
1.
2.1概述数控技术,简称数控它是利用数字化的信息对机床运动及__过程进行控制的一种方法用数控技术实施__控制的机床,或者说装备了数控系统的机床称为数控机床数控系统包括数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给装置等部分要实现对机床的控制,需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床__必须具备的一些工艺参数,如进给速度、主轴转速、主轴正反转、换刀、冷却液的开关等这些信息按一定的格式形成__程序,通过数控系统的译码,从而使机床准确地动作和__出__的零件
1.
2.2数控机床的工作流程数控机床工作时根据所输入的数控__程序,由数控装里控制机床部件的运动零件__轮廓,从而满足零件形状的要求数控__程序的编制在零件__前,首先根据被__零件图样所规定的零件形状、尺寸、材料及技术要求等,确定零件的工艺过程、工艺参数、几何参数以及切削用量等,然后根据数控机床编程手册规定的代码和程序格式编写零件__程序对于比较简单的零件,通常采用手工编程;对于形状复杂的零件,则在编程机上进行自动编程,或者在计算机上用CAD/CAM软件自动生成零件__程序译码数控装置接受程序,译码程序按照一定的语法规则将信息解释成计算机能够识别的数据形式刀具补偿零件__程序通常是按零件轮廓轨迹编制的刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹运动__出所要求的零件轮廓插补插补的目的是控制__运动,使刀具相对于工件作出符合零件轮廓轨迹的相对运动位置控制和机床__位置控制的任务是在每个采样周期内,将插补计算出的指令位置与实际反馈位置相比较,用其差值去控制伺服电机,电动机使机床的运动部件带动刀具相对于工件按规定的轨迹和速度进行__
1.3数控机床的组成和分类
1.
3.1数控机床的组成数控机床一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成,见图1-1图1-1数控机床的组成1输入输出设备输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印2数控装置数控装置是数控机床的核心它接受来自输入设备的程序和数据,并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能3伺服系统伺服系统是接受数控装置的指令,驱动机床执行机构运动的驭动部件它包括伺服电路和伺服电机组成一般来说,数控机床的伺服驱动要求有好的快速响应性能,能灵敏而准确地跟踪由数控装置发出的指令__4测量反馈装置该装置由测量部件和响应的测量电路组成,其作用是检测速度和位移,并将信息反馈给数控装置,构成闭环控制系统5机床本体机床本体是数控机床的主体,是用于完成各种切削__的机械部分
1.
3.2数控机床的分类按伺服系统的控制原理可分为开环控制的数控机床、半闭环控制的数控机床和闭环控制的数控机床1开环控制的数控机床这类数控机床不带有位置检测装置,数控装置将零件程序处理后,输出数字__给伺服系统.驱动机床运动指令__的流程是单向的如图1-2图1-2开环控制的数控机床2闭环控制的数控机床这类机床带有检测装置它随时接受在工作台端测得的实际位置反馈__,将其与数控装置发来的指令位置__相比较,由其差值控制进给轴运动,直到差值为零,进给轴停止运动如图1-3图1-3闭环控制的数控机床闭环控制可以消除包括工作台传动链带在内的误差,从而定位精度高、速度调节快,但由于工作台惯量大,给系统的设计和调整带来很大的困难,主要是系统的稳定性受到不利影响3半闭环控制的数控机床半闭环控制的数控机床与闭环控制得到数控机床的区别在于检测反馈__不是来自工作台而是来自电动机端或丝杠端连接的测量元件如图1-4图1-4半闭环控制的数控机床实际位置的反馈是通过间接测得的伺服电动机的角位移算出来的,因而控制精度没有闭环高,但机床工作的稳定性却由于大惯盆工作台被排除在控制环外,调试方便,因而广泛用于数控机床中所以本次设计采用的是半闭环控制系统
1.4数控机床的特点1__零件的适应性强,灵活性好2__精度高,产品质量稳定3生产率高4减少工人的劳动强度5生产管理水平高第二章车床的总体改造和设计
2.1CQ6132车床改造的总休方案图2-1数控系统的总体框架总体框架说明:1PC机可采用工控PC机,可满足该控制系统的控制要求2运动控制卡采用PCL运动控制卡,该卡是一种高速三轴步进电机运动控制卡,它有16位的数字输入、输出口,可实现三轴联动因此,它可以满足车床X、Z轴联动,实现直线,圆弧插补3光电耦合电路的作用是能够隔离外部干扰__对运动控制卡的__冲击,提高系统的稳定性4机床本体是由CQ6132改造而来,拆除原来的丝杆,溜板箱,变速箱等5步进电机及其驱动器要能够达到
0.005mm的__精度要求6各种限位开关减速开关,回零开关均__在机床本体上,限位开关起着硬件硬限位的作用,当车床__工件超出__范围时,车床自动停止__减速开关的作用是当车床刀架回零并走到车床零点附近时,减速开关被开启并通知车床减速走到零位置
2.2主要技术参数床身上回转直径 320mm工作台上回转直径 185mm两顶尖距离 510610915mm主轴孔径40mm主轴孔锥度 MT5主轴转速/级数180~1930r/min/8纵向行程500600900mm横向行程170mm小刀架行程 85mm公制螺距/级数
0.5~3mm/10英制螺距/级数 8~48t.p.i/14纵向走刀量/级数
0.1~
0.4mm/r/3电机功率
1.5kw机床净重/毛重330/380kg350/400kg390/450kg底座净重/毛重58/70kg主机外形尺寸143015401845×680×515mm主机包装尺寸2080×790×1480mm底座包装尺950×790×870mm
2.3进给系统的设计考虑到该数控系统是开环控制,没有位置反馈,故进给系统尽可能的要减少中间传动环节本车床的X、Z两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节,直接采用了步进电机+刚性联轴器+滚珠丝杆的传动方案拆除原来的丝杆,增加少量的机械附件,就可__步进电机及滚珠丝杆螺母副
2.4控制系统的软件部分该车床控制系统采用西门子808系统其功能主要有读取零件的__G代码,编辑和编译G代码,仿真__包括__前仿真和与__同步仿真,回参考点,手工对刀,__中断,超程软限位等功能它可处理进给速度,主轴速度及转速方向,刀具信息,M功能等多种__信息__过程中,软件界面的状态栏还可以显示出刀具当前的坐标,__状态,__时间等信息
2.5改造后机床的特点1具有与原机床一致的刚度与强度.2具有与原机床一致的__范围3纵向进给直线度与原机床一样,其运动精度则有数控系统和纵向电机、滚珠丝杠的精度保证4横向进给的直线度和运动精度全部有改造部分的制造和装配精度保证5可充分利用机床床身部分的已__表面作为改造部分的定位和测量基准第三章机床的电气改造
3.1数控系统的选择机床数控系统CNC系统是数控机床的控制核心,随着机床数控技术的不断发展与进步,提高了数控机床的整体性能,尤其是它的__精度和生产效率提高得更为显著,现在,数控机床已在机械工业生产中得到广泛应用基于操作面板的紧凑型数控系统SINUMERIK808D车削和SINUMERIK808D铣削极其坚固耐用并且非常容易维护强大的数控功能能够在很短的__时间内实现极佳的工件__精度借助SINUMERIK808D在线向导从调试到生产直至销售的所有机床__步骤的培训费用可降至最低如图3-1图3-1西门子808D操作面板
3.
1.1优点1紧凑、耐用、并且免维护的操作面板型数控系统预装车床专用的系统软件2无需在机柜上钻孔的智能卡扣__3使用U__接口的即插即用机床控制面板4现代化的数控系统确保了系统性能和精度5SINUMERIK808D在线向导可以帮助学习、研究、简化最新的数控系统技术6SINUMERIKOperateBASIC人机界面与SINUMERIK828D和840D类似的便捷操作7SINUMERIKprogramGUIDEBASIC全面的工艺循环用于通过图形输入界面方便地输入车削和钻削循环8手动机床功能带有手轮控制平床身机床的简单半自动__9通过U盘的简单数据传
3.2软件功能1CNC功能系统软件的开放性和友好界面,帮助性的编程方式定义的固定循环并使用户很方便地根据其__特性进行编写自己的固定循环,用户集成的G代码功能M功能和PLC功能的调用子程序,E参数用户可以通过E参数来读取或改变CNC的数值强大的通讯功能RS232IRS4221RS485,边__边传输功能提高了计算机的CAD/CAM程序的__能力完善的丝杠螺距补偿FANUC的螺距补偿为线性补偿,补偿中仅把相应的拐点坐标值输入即可并且没有固定的距离和补偿值的限制2PLC功能梯形图的PLC程序,多任务的PLC程序的编程结构,提高了PLC程序的编写和可读性梯形图PLC程序在屏幕上的动态显示,方便了最终用户的维修丰富的PLC和CNC交换信息量PLC图形界面的管理3强大的编程软件GSKCC软件Windows环境下并运行在PC计算机上,PLC程序的编写工具,方便的机床程序管理简便的通讯能力PCIONC间为主从关系,所有操作均在PC侧完成,动态的PLC程序显示PC侧GSKCC软件Windows环境并运行在PC计算机调整NC的机床参数和伺服系统,图形的动态响应,强大的优化功能,方便地调整系统参数
3.3系统的功能西门子808系统为全功能型,下列一些功能增加了系统的应用范围和操作的方便:
①Cs轴轮廓控制:可以省掉Cf轴,用主轴的转动作为回转坐标与其它直线轴插补,__轮廓曲线
②刚性攻丝:Z轴进给与主轴转动同步,不用弹簧卡头实现攻丝,从而提高了螺纹的__精度
③PMC轴控制:用梯形图程序控制伺服进给轴,用于回转轴分度或定量位置进给0-C系统PMC可控制2个进给轴
④主轴双刀架
⑤
0.1um分辨率:系统分辨率标准设定为1urn可用参数设定为其1/
10.
⑥__程序的后台编辑:自动切削过程中可以编辑新的程序
⑦菜单编程
⑧图形会话在线自动编程:有多种形式,最新的是符号指令形式,易学,易操作有工艺参数语句
⑨用户宏程序:一种参量编程软件包,用来编制__程序适合于成组工艺或者用其接口变量编制PMC程序,控制CNC的运行状态CNC是本系统的核心部分,用以完__机对话与通讯,解释机械__语言,分配__任务,以及协调各功能模块的工作等进给控制部分选用NUMDRIVE交流伺服系统,根据计算以及参考同类型机床,纵向Z轴选36N.m交流何服电机,横向X轴选用22N.m电机,实现位置、速度双闭环控制,以实现机床精确的进给运动辅助控制部分包括机床的冷却系统、润滑系统与主轴运动等方面的控制同时在主轴箱内__编码器,以构成__螺纹所需的主输系统c轴选用IOOOpmr的编码器,由于主轴大齿轮为128齿m=5,故编码器前端齿轮选用20齿,其速比为
6.4:1则主轴每转一转,编码器将返回6400个脉冲,经四分频后,每转计数脉冲为25600,分辨率为
50.625秒/脉冲,完全满足数控系统对C轴的反馈精度要求
3.4PLC的功能
3.
4.1PLC的基本结构及工作原理PLC采用的是典型的计算机结构,主要包括CPURAMROM和输入、输出接口电路等其内部采用总线结构,进行数据和指令的传输如果把PLC看作一个系统,该系统由输入变量-PLC-输出变量组成,外部的各种开关__、模拟__、传感器检测的各种__均作为PLC的输入变量:它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中,经PLC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子,他们是PLC的输出变量由这些输出变量对__设备进行各种控制这里可将PLC看作一个中间处理器或变换器,以将输入变量变换为输出变量如图4-1图4-1西门子808D系统图
3.
4.2PLC与CNC机床的联接方式CNC数控系统的控制__有两类:一类是高速__主要用于各个坐标轴的插补运动;另一类是低速__,主要用于控制主轴电机的正、反运转、接触器、电磁阀的通断等开关t,低速__的控制对象主要一些商电压或大电流的强电设备,其控制采用可编程序控制器,具有可靠性高,柔性好等特点,而且随粉可编程控制器本身性能__比不断提高,在现代CNCFMS系统中的应用有不断上升的趋势目前,数控机床PLC的形式有两种:一种是采用单独的CPU完成PLC功能,即配有专门的PLCPLC在CPU外部,称为外装型PLC;第二种是采用数控氛统与PLC合用一个CPU的方法.PLC在CPU内部,称为内装型PLC.FANUC数控系统采用内装型PLC可编程控制器与CNC机床的联接方式本质上是外电路联接方法,系统I/0口发出控制指令,使可编程控制器输入端无触点开关通断,通过CNC数控完成可编程控制器对机床强电的逻辑控制CNC机床的被控对象有带动主轴旋转的主电机、大量开关量、伺服电机等,可编程控制器与CNC机床的强电、CNC数控装里1/0口的联接可归纳为三部分
3.
4.3PLC输入输出端与机床面板__联接FANUC机床操作面板有多达39个自定义键面板与系统采用光纤连接结合该机床控制操作的自身特点要求,在机床面板上定义了一些操作键,完全满足了机床控制的要求CNC数控机床操作面板上有按钮、旋钮开关、波段开关和指示灯等.按钮、旋钮开关和波段开关直接与可编程控制器的愉入端接线柱相连,指示灯接线直按与PLC输出端接线柱相连,指示灯的亮暗取决于相应的PLC输入端的开关状态及固化在PCROM卡中的梯形圈程序
3.
4.4PLC输出端与机床强电__联接PLC在CNC机床中的主要作用是控制强电部分.如:主控电源、伺服电源、刀架电机正反转、主轴风扇、润滑电机势由于流过强电电路的电流很大,在PLC输出瑞都接有保护用继电器在每一个交流缘圈两侧并联阻容电路以吸收由于线圈通断时产生的浪涌电流.为了提商电机运行的可非性,在接触移线翻电路中加有互锁保护触点同理,每个电机的运行程序控制逻辑都固化在PCROM卡中,受机床操作面板开关和数控系统软件的控制
3.
4.5PLC输入端与CNC机床数控装盆I/O接口的联接可编程控制器物出端的通断是由其物入端通断状态及梯形图程序决定的,CNC机床数控装I与可编程控制器的联接是通过软开关直接控制PLC粕入端的通断.以决定PLC输出端的状态.从数控装置I/0口的信息流向分析,可以分为两种情况:一是数控装!从1/0口输出指令,控制PLC完成相应的动作;另一种是检测PLC输入口的开关状态,数控装里的I/0口是输入__,数控装登根据输入__的性质做出相应的控制
3.5小结本次采用的西门子808Dde系统是由于西门子在现代社会中运用比较广泛并且售后服务比较好PLC和NC数据都是厂家给的应用比较方便.第四章主运动传动系统总体方案的确定
4.1主运动传动系统的设计主传动系统的设计主要是根据变速传动系统的不同类型而决定的,而变速系统的类型应兼顾缩短变速所需的时间并能简化传动系统机构等因素综合来选择、设计传动系统的类型主要有三种
4.2数控机床主传动方式及其特点
4.
2.1齿轮传动所谓齿轮传动是采用少数几对齿轮降速,用液压拨叉自动变速,电机主轴仍为无级变速,并实现主轴的正反启动、停止、制动齿轮传动在扭矩输出方面没有其他的传动方式可以超过,因此一般要求极高扭矩输出的情况下使用可以通过齿轮组的切换得到不同的转速比,从而适应更广泛的__需求缺点是噪音大,发热大,无法用于高转速的应用
4.
2.2皮带传动皮带传动又称为同步齿形带传动,使用直流或交流主轴伺服电机,由同步齿形带传动至主轴传动皮带传动的主轴箱及主轴结构设计相对简单,同时主轴部件刚性好,传动效率高、平稳、噪声小,不需润滑通常是减速传动,另外使用较小的电机也可以获得更好的低速性能,但无法实现转速比的切换适用于中档机床,高端镗铣类数控设备上已经很少看到这种传动方式了
4.
2.3电机直联主轴电机和主轴之间使用联轴器直接联接,结构简单,避免了皮带方式皮带打滑和皮带振动等问题,这种方式应处理好散热、润滑,一般应用于高速机床、镗铣类的数控设备上
4.3小结经过调研、查阅资料可知,大部分数控机床采用分级变速机构,并采用电磁离合器进行自动变速,而经济型数控机床大多数是在原有普通机床的基础上进行改进,并采用简单的数控系统变速进给机构,自动刀架,具有经济的突出特点,现在这种机床在小型、私营企业正被大量使用,但也存在一些如在__过程中不能自动变速等缺点,为了使能设计的机床在时常上更具竞争力,因此采用无级变速传动系统中的机械无级变速器第五章机床进给传动系统的改造
5.1机床进给系统
5.2滚珠丝杠的选用及支承方式数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度,除了加强滚珠丝杠http://___.sigan
8.com/螺母本身的刚度外,滚珠丝杠的正确__及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素螺母座、丝杠端部的轴承及其支承__的不精确性和它们在受力后的过量变形,都会给进给系统的传动刚度带来影响因此,螺母座的孔与螺母之间必须保持良好的配合,并应保证孔对端面的垂直度螺母座应增加适当的肋板,并加大螺母座和机床结合部件的__,以提高螺母座的局部刚度和接触刚度所以我本次设计中选用的是滚珠丝杠传动
5.3滚珠丝杠传动的优点传动效率高,以极小的滚动摩擦代替了传统的滑动摩擦,大大减小的摩擦使滚珠丝杠副的传动效率获得极大地提高,传动效率达90%以上进而,整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠副的1/3左右因此,滚珠丝杠能够顺滑地实现两种传动方式——将旋转运动转化为直线运动或者将直线运动转化为旋转运动但应注意,由于滚珠丝杠副不能自锁,有可逆性,丝杠立式和倾斜使用时,应增加制动装置或平衡装置精度高,由于滚珠丝杠副传动效率达到90%以上,因而发热率大大降低,热变形就小,若使用的丝杠螺母预紧后,可以完全消除间隙,使设备获得很高的定位精度和重复定位精度摩擦阻力小,几乎与运动速度无关,动静摩擦力之差极小,能保证运动平稳,不易产生低速爬行现象;磨损小、寿命长滚珠丝杠副中的主要零件,均经热处理,具有很高的硬度及表面光洁度,再加上滚动摩擦的摩损很小,因而具有良好的耐磨性,实际寿命往往大于理论寿命
5.4纵向进给系统的设计计算
5.
4.1切削力计算最大切削功率式中——主电动机功率,CQ6132车床=
7.5KW——主传动系统的总效率,一般
0.7~
0.85,取=
0.8切削功率应在各种__情况下经常遇到的最大切削力(或转矩)和最大切削速度(或速)来计算,即式中——主切削力,;——最大切削速度,按用硬质合金刀具半精车钢件时的速度取=100m/min.在一般外圆车削时=(
0.1~
0.55),=(
0.15~
0.65)取=
0.48=1728N,=
0.58=2088N;式中、——纵向、横向切削力分力
5.
4.2滚珠丝杠副的选型和验算滚珠丝杠副的选型和验算主要是型号的选择和性能验算滚珠丝杠的选用设计,一般必须已知下列条件丝杠的最大轴向载荷(或平均工作载荷)、使用寿命T、丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)、丝杠的转速(或平均转速)、丝杠的运转状态等,以纵向为例,可按以下步骤计算
(1)滚珠丝杠轴向进给切削力的计算纵向进给为综合型导轨,滚珠丝杠轴向进给切削力=K+(+W)=
2691.2N式中W——__部件的质量,N;——导轨上的摩擦因数,取=
0.16;K——考虑__力矩影响的实验系数,K=
1.15
(2)滚珠丝杠平均转速的计算最大切削力下的进给速度(r/min),可取最高进给速度的1/2~1/3(取为1/2),纵向最大进给速度为
0.6m/min,丝杠导程选=6mm,则滚珠丝杠平均转速
(3)滚珠丝杠寿命的计算丝杠使用寿命取T=20000h(2班工作制10a),则丝杠的计算寿命
(4)滚珠丝杠副承受的最大当量动载荷的计算根据工作负载荷、寿命L,滚珠丝杠副承受的最大当量动载荷式中——运转系数,取=
1.2;——精度系数,滚珠丝杠副精度取为3级,则取=1
(5)从滚珠丝杠尺寸系列表(或产品样本)中找出额定动载荷略大于当量动载荷,同时考虑刚度要求,初选滚珠丝杠副的型号及有关参数
(6)根据机床结构和工作要求(即循环方式、预紧方式、传动精度、传动效率等方面)从初选的几个型号中挑选比较合适的公称直径、导程、负荷滚珠列数和滚珠圈数,确定某一型号参照山东济宁博特精密丝杠制造有限公司的产品样本,CQ6132纵向进给滚珠丝杠副的型号选为CDM4006—
2.5—P3,是外循环插管埋入式双螺母垫片预紧丝杠副,其额定动载荷为14820N,强度足够,刚球循环列数为1x
2.5x2,精度等级为3级其几何参数如下公称直径=40mm,导程=6mm,刚球直径=
3.969mm,丝杠底径=
35.2mm,预紧力=2006N
5.
4.3刚度验算的计算滚珠丝杠副刚度的验算,主要是验算丝杠的拉伸或压缩变形量、滚珠与螺纹滚道接触变形量和支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形之和应不大于机床精度所允许变形量的1/2否则,应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副滚珠丝杠的变形量计算步骤如下
(1)丝杠的拉伸或压缩变形量式中——工作负载引起导程的变化量,由于两端均采用角接触球轴承,且丝杠又进行了预紧,故其拉压刚度可比一端固定的丝杠提高4倍其实际变形量为=1/4=
0.494xmm
(2)滚珠与螺纹滚道间接触变形滚珠丝杠副及轴承均进行预紧,滚珠与螺纹滚道接触变形式中——滚珠数量,;——圈数;——列数;——每圈螺纹滚道内的滚珠数对于CDM4006C—
2.5,,取整为158个因丝杠加有预紧力,可减少1/2,因此实际变形量=
0.0059/2=
0.295xmm
(3)支承滚珠丝杠的轴承轴向接触变形支承滚珠丝杠的轴承为8107型推力球轴承,几何参数为=
3.5mm,滚动体直径=
6.35mm,滚动体数量=18,轴承的轴向接触变形因施加预紧力,故实际变形量=/2=
0.0039mm根据以上计算,总变形量=++
11.8三级精度滚珠丝杠允许的螺距误差为15/m,故刚度足够因为滚珠丝杠两端都采用推力球轴承并预紧,因此不会产生失稳现象,故不需稳定性校核通过以上的计算,或得CDM4006—
2.5—P3纵向进给系统的滚珠丝杠副,在数控改造CQ6132车床应用后,机床工作台运转平稳、灵活、精度高、噪音低,可以满足实际生产__要求
5.
4.
4.滚珠丝杠副及预紧方式的选择滚珠丝杠副根据其滚珠的回转方式可以分为外循环和内循环两种,根据螺母的结构形式又可以分为双螺母和单螺母在进行改造时应根据具体情况和结构形式来定,由于外循环式丝杠副螺母回珠器在螺母外边,所以很容易损坏而出现卡死现象,而内循环式的回珠器在螺母副内部,不存在卡死和脱落现象由于双螺母不仅装配、预紧调整等比单螺母方便,而且其传动刚性比单螺母也好,所以只要结构和机床空间满足要求,在普通机床数控化改造中多选内循环式双螺母结构按预加负载形式分,可分为单螺母无预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母加大钢球径向预紧、双螺母垫片预紧、双螺母差齿预紧、双螺母螺纹预紧数控机床上常用双螺母垫片式预紧,其预紧力一般为轴向载荷的1/3在本设计中,我们采用双螺母内循环的形式,用双螺母垫片预紧
5.
4.5滚珠丝杠的材料及热处理根据《金属切削机床设计简明手册》P298表4-156,选择的材料为CrWMn,所选热处理为整体淬火
5.5伺服驱动系统的选择早期的数控机床采用电液伺服驱动的较多,而现代数控机床基本上都采用全电气伺服驱动系统它可分为步进电机、直流伺服电动机和交流伺服电动机伺服驱动系统三类
5.
5.1步进驱动系统步进驱动系统一般与脉冲增量插补算法相配合,目前均选用功率型步进电机作为驱动元件它主要有反应式和混合式两类反应式__较低,混合式__较高,但混合式步进电机的输出力矩大,运行频率及升降速度快,因而性能更好为克服步进电机低频共振的缺点,进一步提高精度,出现了性能更好的带细分功能的步进电机驱动装置,并得到了广泛的应用步进驱动系统在我国经济型数控领域和老式机床改造中起到了极其重要的作用
5.
5.2直流伺服驱动系统直流伺服驱动系统从20世纪70年代到20世纪80年代中期,在数控机床领域占据了主导地位大惯量直流电动机具有具有良好的宽调速特性,其输出转矩大,过载能力强由于电动机自身惯量较大,与机床传动部件的惯量相当,因此,所构成的闭环系统__到机床上此类电动机大多配有晶闸管全控或半控桥SCR-D调速装置为适于部分数控机床频繁启动、制动及快速定位的要求,又__了直流中,小惯量伺服电动机以及大功率晶体管脉宽调制PWM驱动装置
5.
5.3交流伺服驱动系统由于直流伺服电动机使用机械换向,因此存在许多缺点而直流伺服电动机优良的调速特性正是通过机械换向得到的,因而这些缺点无法克服多年来,人们一直试图用交流电动机代替直流电动机,其困难在于交流电动机很难达到直流电动机的调速性能进入20世纪80年代之后,由于交流伺服电动机的材料、结构以及控制理论与方法的突破性进展,以及微电子技术和功率半导体器件的发展,使交流驱动装置发展很快,目前已逐渐取代了直流伺服电动机交流伺服电动机的最大优点在于不需要维护,制造简单,适合于在恶劣环境下工作所以本次设计中采用的是西门子808D半闭环系统选择的是交流伺服驱动系统
5.6进给系统的一些其它要求
5.
6.1进给系统的润滑机床在运行过程中,各运动件之间存在摩擦,必须采用一定的润滑及防护措施来减小其相对摩擦,从而提高机床的使用寿命使用润滑剂可提高耐磨性及传动效率润滑剂可分为润滑油和润滑脂两大类润滑脂的特点是黏度大,不易流失,因此不需经常加换,使用方便,密封也较简单但其摩擦阻力大,机械效率低;流动性差,导热系数小因此仅适用于转速不高的轴承,外露的齿轮和某些不易密封的主轴件等润滑油一般为全损耗系统用油在此进给系统中,齿轮的转速比较低,因此不能使油飞溅润滑,在齿轮和轴承处采用润滑脂来润滑在滚珠丝杠副中,也只能采用润滑脂
5.
6.2防护滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样,应避免硬质灰尘或切屑污物进入,因此必须装有防护装置如果滚珠丝杠副在机床上外露,则应采用封闭的防护罩,如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等__时将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面,另一端固定在滚珠丝杠的支承座上如果滚珠丝杆副处于隐蔽的位置,则可采用密封圈防护,密封圈装在螺母的两端接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成,其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状;接触式密封圈的防尘效果好,但由于存在接触压力,使摩擦力矩略有增加非接触式密封圈又称迷宫式密封圈,它采用硬质塑料制成,其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反,并稍有间隙,这样可避免摩擦力矩,但防尘效果差工作中应避免碰击防护装置,防护装置一有损坏应及时更换另外,对滚珠丝杠的__处应进行削边第六章支承件的改造
6.1支承件的特点支承件是机床的基础部件,包括床身、立柱、横梁、底座、工作台、箱体、升降台等它们之间有的互相固定连接,有的在导轨上运动支承件在__过程中受各种力和热的作用会产生变形,从而改变执行机构的正确位置或运动轨迹,影响__精度和表面质量因此必须采取一定的措施进步支承件抵抗受力变形和受热变形的能力
6.2导轨的现状导轨是伺服进给系统的重要环节之一,它对数控机床的刚度、精度与精度保持性等有着重要地影响,现代数控机床的导轨,对导向精度、精度保持性、摩擦特性、运动平稳性和灵敏度都有更高地要求,在材料和结构上起了“质”地变化,已不同于普通机床的导轨
6.3导轨的类型及选取导轨副是数控机床的重要部件之一,导轨的作用是使运动部件能沿一定轨迹运动,并承受运动部件及工件的重量和切削力它在很大程度上决定数控机床的刚度、精度和精度保持性数控机床导轨必需具有较高的导向精度、高刚度、高耐磨性,机床在高速进给时不振动、低速进给时不爬行等特性目前数控机床使用的导轨主要有3种滑动导轨、滚动导轨和静压导轨
6.
3.1滑动导轨金属http://baike.baidu.com/view/6___.htm或其它材料制成的槽或脊,可承受、固定、引导__装置或设备并减少其摩擦的一种装置导轨表面上的纵向槽或脊,用于导引、固定机器部件、专用设备、仪器等导轨又称滑轨、线性导轨、线性滑轨,用于直线往复运动场合,拥有比直线轴承http://baike.baidu.com/view/
5545.htm更高的额定负载,同时可以承担一定的扭矩http://baike.baidu.com/view/
22440.htm,可在高负载的情况下实现高精度的直线运动导轨__擦性质分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、气浮导轨本课题采用了滑动导轨滑动导轨分为
(1)矩形导轨如图(6-1)-a具有刚度高,承载能力大,制造,检验和维修方便但是导轨不可避免地存在侧间间隙,因而导向精度较差
(2)三角形导轨如图(6-1)-b导向性能与顶角α有关,α越小导向性越好,但α减小时导轨面当量摩擦系数加大;α角加大承载能力增加支承导轨为凸三角形时,不易积存有较大积屑,也不易存润滑油支承导轨为凹三角形时,导轨副易产生动压效应,但防尘性差
(3)燕尾形导轨如图(6-1)-c其高度较小,可承受__力矩;但刚度差,制造、检验和维修都不方便燕尾槽导轨,其特点是结构紧凑,调整间隙方便,形状较复杂,摩擦力偏大
(4)圆柱形导轨如图(6-1)-d易制造,不易积存较大积屑和润滑油,磨损后难以调整和补偿间隙主要用于受轴向载荷的场合图(6-1)滑动导轨截面形状
6.
3.2.滚动导轨直线滚动导轨是目前最流行的一种新形式直线滚动导轨主要由导轨体、滑块、滚珠、保持器、端盖等组成生产厂把滚动导轨的预紧力调整适当,成组__,所以这种导轨又称为单元式直线滚动导轨使用时,导轨固定在不运动部件上,滑块固定在运动部件上当滑块沿导轨体__时,滚珠在导轨和滑块之间的圆弧直槽内滚动,并通过端盖内的滚道,从工作负荷区到非工作负荷区,然后再滚动到工作负荷区,不断循环,从而把导轨体和滑块之间的__变成了滚珠的滚动为防止灰尘和脏物进入导轨滚道,滑块两端及下部均装有塑料密封垫,滑块还有润滑油注油杯滚动导轨的最大优点是摩擦系数小,比塑料导轨还小;运动轻便灵活,灵敏度高;低速运动平稳性好,不会产生爬行现象,定位精度高;耐磨性好,磨损小,精度保持性好;且润滑系统简单,为此滚动导轨在数控机床上得到普遍地应用但是,滚动导轨的抗振性较差,结构复杂,对脏物较敏感,必须要有良好的防护措施
6.
3.3.液体静压导轨静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通入压力油,使运动件浮起工作过程中,导轨面上油腔中的油压能随着外加负载的变化自动调节,以平衡外负荷,保证导轨面始终处于纯液体摩擦状态静压导轨的摩擦系数极小(约为
0.0005),功率消耗少,由于系统液体摩擦,故导轨不会磨损,因而导轨的精度保持性好,寿命长油膜厚度几乎不受速度的影响,油膜承载能力大、刚性好、吸振性良好,导轨运行平稳,既无爬行,也不产生振动但静压导轨结构复杂,并需要有一个具有良好过滤效果的液压装置,制造成本较高目前,静压导轨较多地应用在大型、重型数控机床上目前,数控机床所使用的滑动导轨材料为铸铁对塑料或镶钢对塑料滑动导轨导轨塑料常用聚四氟乙烯导轨软带和环氧型耐磨导轨涂层两类为了进一步降低普通滑动导轨的摩擦系数,防止低速爬行,提高定位精度,为此在数控机床上普遍采用塑料作为滑动导轨的材料,使原来铸铁-铸铁的滑动变为铸铁-塑料或钢-塑料的滑动
6.
3.4塑料滑动导轨的特点1摩擦特性好除摩擦系数低外,塑料材料中含有青铜、二硫化钼和石墨,因此其本身具有自润滑作用,对润滑油的供油量要求不高,采用间歇式供油即可另外,塑料质地较软,即使嵌入细小的金属碎屑、灰尘等,也不致于损伤金属导轨面和软带本身,可延长导轨的使用寿命3减振性好塑料的阻尼性能好,其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大的意义4工艺性好可降低对塑料结合的金属基体的硬度和表面质量,而且塑料易于__(铣、刨、磨、刮),使导轨副接触面获得良好的表面质量除此之外,塑料导轨还以其良好的经济性、结构简单、成本低,目前在数控机床上得到广泛地使用通过以上的类比,考虑到本设备原先采用的就是滑动导轨,因此为了控制成本,在本课题中采用聚四氟乙烯滑动导轨第七章辅助装置的选用
7.1刀架的选择选用选用LD4-6132型电动刀架因为设计要求刀架的最大回转直径为320mm,而最小的三角刀架的设计高度大大超过60mm,故选用LD4-6132刀架型号,因刀架为外购件,其尺寸已成定值,故选用四方刀架即LD4-6132该刀架可以夹持4把刀,采用鼠牙盘为分度定位,利用步进电机实现自动转位
7.2机床设备的润滑及冷却
7.
2.1冷却系统本机床冷却系统分为两部分机床http://___.syms.com.cn/Keyword__p/JiChuang.html工件冷却和电动砂轮轴冷却两个冷却箱都安放在机床后方,摇臂钻床http://___.syms.com.cn/Keyword__p/YaoBiZuanChuang.html它们的容积相等,约为72L
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2.2润滑系统润滑系统作用于主轴箱主轴前后轴承、机床进给螺钉及丝杠、高速电动砂轮主轴、修整器微调螺旋副,摇臂钻床保证各运动部件的良好润滑本次设计中采用的是韩国亚隆ACP-MF型浸入式冷却泵其扬程高流量大适用于需要大流量的高精度高性能的大型机床可有效的冲净切屑并冷却__件此浸入式泵吸力强且电机与泵体间有一定的间距电机产生的热不会直接传至TANK影响油温的上升
7.3小结综上所述,从经济性方面考虑改造一台旧的车床要比新买一台节省3万元左右,但也不是所有车床都适合数控化改造,在改造之前我们应该做一个经济性的评估,如果改造所需费用高于新__一台,那么我么则无需花大量时间精力去改造,可以直接从厂家__,这样会更加省事当然有些情况则是改造要有优势,比如厂家有若干台旧的车床,而又需数控车床,这种情况下,厂家就可以考虑一下是否改造成数控车床总之,普通车床数控化改造有很多优势,但也要根据情况而定结束语本次设计于2012年12月17日开始,经过四个多月的努力,于2013年4月10日完成,本课题的主要任务是完成对普通车床的数控化改造方案的研究,当然,数控化改造并不是简单的装上数控装置就行了,它是一项繁琐的工作我们的设计和改造任务主要包括主运动和进给运动的改造设计,通过改造使其具有数控机床的一般特性应该来说,对普通车床的数控化改造具有一定的经济性和可行性目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间,现在我国机床数控化率不到3%用普通机床__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,所以必须大力提高机床的数控化率通过这次设计我对普通车床的高燥有了系统性的认识和基础性的把握熟悉了其设计原理及流程并对传动系统和伺服系统进行了针对性的学习当然设计中还存在很多不足有待改进我会在以后的实际工作中不断弥补不足创新进取致谢本设计的完成是在我们的导师季鹏老师的细心指导下进行的在每次设计遇到问题时季老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中,花费了季老师很多的宝贵时间和精力,在此向导师表示衷心地感谢!导师严谨的治学态度,开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生!还要感谢和我同一设计小组的几位同学,是你们在我平时设计中和我一起探讨问题,并指出我设计上的误区,使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去,没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿,在此表示深深的谢意____
[1]朱晓春主编,数控技术第二版,机械工业出版社,2005
[2]晏初宏主编.数控机床与机械结构[M].第一版.北京机械工业出版社,
2005.
[3]吴天生主编,机械制图,高等教育出版社,2003
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[5]张岐生主编.数控机床构造[M].第一版.北京理工大学出版社,2007
[6]饶军,田宏宇主编.数控机床与数控技术[M].第二版.北京中国林业出版社,2006
[7]苏__主编.数控机床[M].第一版.西安西北大学出版社,
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