毕业设计(论文)-普通CA6150车床数控化技术改进(全套图纸) .doc
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1、题 目:普通CA6150车床数控化技术改进全套CAD图纸,加153893706姓 名:班级学号:指导教师:摘 要摘 要企业要在当前市场需求多变,竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品,以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求,数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术,最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序,无需对机床作任何调整,因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。如果将机床设备全部更新换代,不仅资金投入太大,成本太高,而且原有设备的闲置又
2、将造成极大的浪费。所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。采用数控改造技术,不但可以使改造后的机床满足了技术发展的需要,提高了生产率和产品精度,增大了设备适应能力和型面加工范围,还可以弥补定购新的数控机床交货周期长的不足。所以采用此方法对中、小型企业来说是十分理想的选择。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
3、能先进的设备,满足现代化生产的要求. 6150型车床具有性能良好、结构先进、操作轻便等特点 ,在我国机械制造行业中使用非常广泛。本设计就取其为例,主要介绍其数控化改造的方案、以及改造部位的选型与设计计算。关键词: 流伺服电机 精度修复 润滑 数控系统 第 II 页前 言机械制造业在国民经济中具有十分重要的地位和作用。机械制造业提供的装备水平对国民经济各部门的技术进步有着很大的和直接的影响。机械制造业的规模的水平是反映国民经济实力和科学技术水平的重要标志。因而,世界各地都把发展机械制造业作为振兴和发展本国经济的战略重点之一。 20世纪70年代以后,由于微电子技术、控制技术、传感器技术、机电一体化
4、技术的迅速发展,特别是计算机的广泛应用,不仅给机械制造领域带来了许多新工艺、新技术、新观念,而且使机械制造技术产生了质的飞跃,走上了一个新的台阶。我国是制造业大国,但不是强国。虽然机械制造业取得了很大的成绩,但与国家经济发展需要和世界先进水平相比还是存在着较大的差距,必须迎头赶上。机械制造生产能力和制造水平,主要取决于机械制造装备的先进程度。机械制造装备的核心为金属加工机床。一个国家的机床工业水平在很大程度上代表着这个国家的工业生产能力和技术水平。改革开放后,我国的机械制造装备业获得迅速发展,目前我国已能生产出多种精密、自动化、高效率的机床及自动生产线,例如已能生产100多种数控机床和加工中心
5、等,并达到一定的技术水平,但与世界先进水平相比还有很大的差距,并且在我国企业中,大多真正投入生产中的还是普通机床。随着计算机技术的飞速发展,机床的数控化已经成为现实。以数控机床为代表的现代基础机械是制造业实现生产现代化的重要设备,数控技术的水平高低和机床的数控化率是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。我国是一个发展中国家,无论从数控技术水平和机床的数控化率都落后于先进的西方发达国家,特别是从上个世纪后期,国家采取了积极的财政政策和扩大内需的方针后,作为现代基础机械的数控机床就满足不了工厂逐年增加的生产需求。根据我国机床拥有量大、生产规模小的具体国情,采用经济型数控系统对普通机床进行数控化改造
6、,对提高我国机械加工的数控化率,提升拥有大量普通机床的国有企业的加工能力,具有重要的意义。本文便以CA6150 型车床进行为例,利用经济型数控系统对其进行数控化改造。目 录目 录摘 要I前 言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52.2X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
7、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112.3Z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
8、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纵向和横向滚珠丝杠装配图162.5.1X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
9、统向多轴联动化方向发展21第 4 章结论22参考文献23致 谢24附录127 第 26 页第 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、,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(2.1) 式中: Vmax=5000mm/min nmax=3000r/min i=1 P=500
15、0/3000=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
16、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2.2 Fc=0.67D15 (2.2)Fc:Ff:Fp=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
17、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+ Fc)*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Q Q=
18、(2.5)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1.35,50时为1.56,45时为2.40)因为HRC=58,所以=1.0载荷系数(平稳或轻冲击时为1.01.2中等冲击时为1.21.5,较大冲击时为1.52.5)机床属于中等冲击所以=1.2Q-最大动载荷= Fp +F1=1123.62+949.08=2072.68N则Q=288
19、61.57N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=38639Q(所以满足使用)2.2.6 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= 5m/min,=3000r/min,=200kg丝杠的转动惯量=Lp*=7.8*40*=0.5(kg)=0.5*(kg)设电机转子的转动惯量为=0.64*(
20、kg)则等效到电机轴上的转动惯量为:=*200*(5/3000)+ +=1.29*(kg)(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。=0.34(Nm)(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(2.6)=314(1/s) =1046.67(1/) T=1.29*1046.67=0.14(Nm)(5) 电机输出轴上总负载
21、转矩的计算 =T+(2.7)=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=1.03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。2.2.6.2 最高转速校核快速行程的电机转速必须严格限制在
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