CA6140普通車床數(shù)控化改造畢業(yè)論文

1、ca6140普通車床數(shù)控化改造摘要在機械制造領(lǐng)域，機床是生產(chǎn)的母機，也是社會生產(chǎn)力發(fā)展水平的重要標(biāo)志。隨著工業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機床的使用將變得很普及。而目前,很多企業(yè)還存在很多老舊的普通6140車床,這些普通車床已不適應(yīng)生產(chǎn)要求.如果將機床設(shè)備全部更新?lián)Q代,不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費。所以最經(jīng)濟的辦法就是進行普通機床的數(shù)控改造。通過數(shù)控化改造，不但可以使改造后的機床提高了生產(chǎn)率和加工精度，增大了設(shè)備適應(yīng)能力和型面加工范圍，還可以彌補定購新的數(shù)控機床交貨周期長的不足。本設(shè)計即為對ca6140普通車床進行數(shù)控化改造。通過查看ca6140機床的有關(guān)資料，并且參照了數(shù)

2、控機床的改造經(jīng)驗和從性價比出發(fā)，本次改造將不改造機床的主軸箱，保留原機床的主軸旋轉(zhuǎn)運動，只對機床的橫、縱向進給實施數(shù)控改造；對刀架進行數(shù)控化改造。通過縱橫向進給的數(shù)控聯(lián)動和自動換刀可以車削加工復(fù)雜形狀及螺紋溝槽等，提高其使用范圍，提高生產(chǎn)率和加工精度。關(guān)鍵詞：ca6140車床 數(shù)控化改造 橫、縱向進給 自動換刀 目錄第一章 緒 論1一、課題意義1第二章 機床數(shù)控化改造的一般方法2一、電氣控制改造2二、機械部分的數(shù)控改造2第三章 本設(shè)計方案3一、總體方案的確定3二、機械傳動結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)的設(shè)計3三、機床進給系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算4四、控制系統(tǒng)的選用14五、光電編碼器的安裝16六、導(dǎo)軌的改造17七、自動回

3、轉(zhuǎn)刀架的選型17結(jié)束語18參考文獻19第一章 緒 論一、課題意義（一）、機床的數(shù)控改造1.概述隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷加快，因此對機床不僅要求較高的精度和生產(chǎn)率，而且應(yīng)能迅速的適應(yīng)產(chǎn)品零件的變換。生產(chǎn)的需要促使了數(shù)控機床的產(chǎn)生，隨著電子技術(shù)，特別是計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床迅速的發(fā)展起來。從第一臺數(shù)控機床問世至今，世界上主要工業(yè)化國家的數(shù)控機床以進入批量生產(chǎn)、機床的數(shù)控化率在不斷提高，到1988年，日本生產(chǎn)機床的數(shù)控化率達到了70%。我國從開放搞活以來，加快了數(shù)控機床的數(shù)控化引進，促進了我國機床數(shù)控技術(shù)的普及和發(fā)展

4、。各大企業(yè)不斷購進數(shù)控機床擴大在生產(chǎn)和替換陳舊設(shè)備，數(shù)控機床在企業(yè)中在也不是鳳毛麟角，而是不斷提高普及率。這種情況下，普通機床的數(shù)控化改造是否必要？可從以下幾點說明。2.數(shù)控改造的必要性目前各企業(yè)都有大量的普通機床，完全用數(shù)控機床替換根本不可能，而且代替下的機床閑置起來的機床會有很大的浪費。數(shù)控機床可以較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批、多變零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，但是應(yīng)用數(shù)控機床還是受到其他條件的限制。（1）、數(shù)控機床的造價昂貴，一次性投資巨大，對中小企業(yè)是有余力而不足。（2）、在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)的急需。（二）、數(shù)控改造的優(yōu)點1、數(shù)控

5、改造一般對普通機床某些部件做一定的改造，配上數(shù)控裝置，從而使機床具有數(shù)控加工能力。其改造的目的有以下幾點。（1）、從提高資本效率出發(fā)，改造閑置的舊設(shè)備，發(fā)揮機床的原有功能和改造后的新增功能，提高機床的使用價值。（2）、為了提高生產(chǎn)效率進行數(shù)控改造。（3）、為了適應(yīng)多品種、小批量零件生產(chǎn)而進行數(shù)控改造。（4）、為了使技術(shù)等級較低的工人也能加工出高質(zhì)量的產(chǎn)品零件和提高生產(chǎn)效率而進行數(shù)控改造。（5）、為了減小整個設(shè)備投資計劃而進行數(shù)控改造。2、所以這些目的都圍繞一點，即提高機床的性能價格比，用較少的價格，得到較高的機床性能。因此數(shù)控改造具有以下的優(yōu)點。（1）、對于現(xiàn)有的機床實現(xiàn)自動化，而且專業(yè)性強，

6、沒有多余的功能。（2）、減少輔助加工的時間，提高機床的生產(chǎn)率。（3）、降低對工人的技術(shù)等級要求。（4）、數(shù)控改造費用低，可充分利用原有的機床設(shè)備。（5）、數(shù)控改造的周期短，可滿足生產(chǎn)急需。第二章 機床數(shù)控化改造的一般方法一、電氣控制改造 進給傳動的作用是接收數(shù)控系統(tǒng)指令，經(jīng)放大后使刀具作精確的定位或按規(guī)定的軌跡運動，加工出符合要求的零件。因此要求進給傳動有較高的定位精度和重復(fù)定位精度，響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，輸出功率大。一般中小型機床的數(shù)控化改造多采用微機控制的開環(huán)步進電機驅(qū)動方式，這種方式簡單、經(jīng)濟、安裝調(diào)試方便，但控制精度和速度較底。大型機床多采用伺服電機半閉環(huán)控制方式，控制精度和速度比開環(huán)控

7、制方式高，但價格較高，維修較困難。二、機械部分的數(shù)控改造進給系統(tǒng)機械部分?jǐn)?shù)控改造主要是提高移動部件的靈活性，減少或消除傳動間隙。普通機床多采用普通的絲杠副。但普通絲杠副摩擦阻力大，傳動效率底，動靜摩擦系數(shù)相差大，底速容易出現(xiàn)爬行。采用滾珠絲杠副可滿足數(shù)控機床的要求精度高，反應(yīng)快，無爬行。 第三章 本設(shè)計方案一、總體方案的確定本設(shè)計任務(wù)是對ca6140普通車床進行數(shù)控改造。保留原有主軸傳動系統(tǒng)不變，為保持切削螺紋的功能，必須在主軸上安裝光電編碼器；利用微機對縱、橫向進給系統(tǒng)進行半閉環(huán)控制，縱向（z向）脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，橫向（x向）脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，驅(qū)動元件采用交流伺服電

8、機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架。二、機械傳動結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)的設(shè)計首先拆去進給箱、溜板箱；還要對車床的床鞍進行部分的改造，拆去縱向小拖板、 橫向拖板，將絲杠換成滾珠絲杠；采用一對降速齒輪降速。其傳動順序為電機通過降速齒輪帶動滾珠絲杠，滾珠絲杠帶動工作部分進給。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-1所示圖3-1滾珠絲杠的支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計。橫向進給絲桿傳動的轉(zhuǎn)矩小，滑臺重量輕，工作行程短，因此杠采用一端固定一端自由的結(jié)構(gòu)，采用角接觸球軸承支撐。其結(jié)構(gòu)示意圖如3-2圖3-2縱向進給中滑臺重量大，所需轉(zhuǎn)矩大，工作行程長， 因此采用一端固定一端游動的支撐。其結(jié)構(gòu)如圖3-3圖3-3在齒輪傳動過程中需要消除傳動間隙，

9、根據(jù)結(jié)構(gòu)需要采用雙齒輪內(nèi)壓簧錯齒間隙調(diào)整。其機構(gòu)如圖3-4所示圖3-4三、機床進給系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算：伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負載和系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運動部件慣量計算，空載起動及切削力矩計算，確定伺服電機。（一）、縱向進給系統(tǒng)設(shè)計計算1、導(dǎo)程的確定vmax = 8m/s = 8000mm/s取降速比 i = 2 根據(jù)公式計算導(dǎo)程p= = = 82、確定降速齒輪中心距和齒輪直徑1取小齒輪 z1=30 根據(jù)公式 i = 得 z2 = 60分度圓直徑 模數(shù)m 取2d1=mz1 = = 60mmd2=mz2 = = 120mm中心矩 d = = 90mm3、負載慣量的計算2齒輪的轉(zhuǎn)動

10、慣量d1=60mm d2 =120mm 齒輪厚l=20mmj1 = 0.77d14l10-4 = kg.m2j2 = 0.77d24l10-4 = kg.m2工作臺折算到絲杠的轉(zhuǎn)動慣量jt= = kg.m2絲杠折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量查機械設(shè)計手冊js=0.01518 絲杠長度為1.4mjs= kg. m2jm=kg.m2j=17.6 kg.m2按中小型數(shù)控機床慣量匹配條件17.6jm d2m=15.2 滿足最小螺紋低徑要求cam=nm=500 nmax=2000 1/2=1000 nmin=0fm= fmin=7=730n= fmax=3800n=2276ncam=25.52ncamca=3

11、0.7 選擇絲杠合適6、縱向系統(tǒng)的動態(tài)性能分析精度驗算伺服剛度krkr=ks系統(tǒng)的開環(huán)增益 ks的倒數(shù)ts是系統(tǒng)的時間常數(shù)kt伺服電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù) kt=0.57ke 電機的反電動勢系數(shù) ke=0.58kv0 速度環(huán) 開環(huán)增益 可調(diào)至 kv0=（24）ksrm 電機電阻ts=9msks=111.1kv0 = (24)ks = 222.2kr = =31531k/r= kr=48.5106n/m = 48.5n/滾珠絲杠螺母的接觸剛度 根據(jù)樣本手冊，kn=1580n/絲杠的拉壓剛度 最小拉壓剛度計算kkmin =10-6 = 10-6=279.1 n/軸承的軸向剛度 kr軸承型號為7006ack

12、r=1.18fr 作用于軸承上的徑向載荷 接觸角db 球徑z ,i 滾動體的列數(shù)和每列的滾動體數(shù)fa0預(yù)緊力為600n查軸承樣本 cr=14.5kn 取fre= cr/10=1450nfr=fre + fa0ctg=1450+600ctg250=2736.7kr=1.18 =1.18=143.52n/綜合剛度 k= =45.2 n/=7.74滿足定位精度定位精度為=7.74滿足定位精度為mm要求（二）、橫向進給系統(tǒng)設(shè)計計算1、導(dǎo)程的確定 vmax = 4m/s = 4000mm/s取降速比 i = 2 根據(jù)公式計算導(dǎo)程p= = =42、確定降速齒輪中心距取小齒輪 z1=20 根據(jù)公式 i =

13、得 z2 = 40分度圓直徑 模數(shù)m 取1.5d1=mz1 = = 30mmd2=mz2 = = 60mm中心矩 d = = 45mm3、負載慣量的計算齒輪的轉(zhuǎn)動慣量d1=60mm d2 =90mm 齒輪厚l=20mmj1 = 0.77d14l10-4 = kg.m2j2 = 0.77d24l10-4 = kg.m2工作臺折算到絲杠的轉(zhuǎn)動慣量jt= = kg.m2絲杠折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量查機械設(shè)計手冊js=0.00094 絲杠長度為0.5mjs= kg. m2jm=kg.m2j= kg.m2按中小型數(shù)控機床慣量匹配條件1.5421jm d2m=7.07 滿足最小螺紋低徑要求cam=nm=5

14、00 nmax=2000 1/2=500 nmin=0fm= fmin=0=350n= fmax=38001/4=950 n=750ncam=6896.78ncamca=7.3kn 選擇絲杠合適四、控制系統(tǒng)的選用5控制系統(tǒng)的加裝有三種方案選擇：（一）直接選配現(xiàn)有的適合的數(shù)控系統(tǒng)控制裝置；（二）基于單片機為核心的自行研發(fā)的微機控制方案；（三）基于plc的控制方案。本設(shè)計選用華中數(shù)控“世紀(jì)星”hnc-18xp/td數(shù)控車床系統(tǒng)，華中數(shù)控“世紀(jì)星”hnc-18xp/td數(shù)控裝置（如圖3-8所示），采用先進的開放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工業(yè)pc，配置5.7/液晶顯示屏和通用工程面板，集成進給軸接口、主軸

15、接口、手持單元接口、內(nèi)嵌式plc接口于一體，采用電子盤程序存儲方式以及cf卡、dnc、以太網(wǎng)等程序交換功能、具有低價格、高性能、結(jié)構(gòu)緊湊、易于使用、可靠性高等特點。最大聯(lián)動軸數(shù)為2軸?？蛇x配各種類型的脈沖指令式驅(qū)動單元。除標(biāo)準(zhǔn)機床控制面板外，配置32路開關(guān)量輸入和24路開關(guān)量輸出接口、手持單元接口、主軸控制與編碼器接口。采用5.7/單色液晶顯示器（分辨率為320240）。全漢字操作界面、故障診斷與報警、加工軌跡圖形顯示和仿真，操作簡便，易于掌握和使用。采用國際標(biāo)準(zhǔn)g代碼編程，與各種流行的cad/cam自動編程系統(tǒng)兼容，具有直線插補、圓弧插補、螺紋切削、刀具補償、宏程序、恒線速切削等功能。反向間

16、隙和單、雙向螺距誤差補償功能。內(nèi)置rs232通訊接口，輕松實現(xiàn)機床數(shù)據(jù)通訊。支持usb盤，存取程序方便快捷。支持以太網(wǎng)功能選擇，快速傳輸程序與數(shù)據(jù)。400kb用戶零件程序斷電存儲區(qū)（可采用cf卡另外擴充），32mb ram加工內(nèi)存緩沖區(qū)。 圖3-5 華中數(shù)控“世紀(jì)星”hnc-18xp/td數(shù)控車床系統(tǒng)控制裝置表3-1 gsk 928tc-2車床數(shù)控系統(tǒng)功能參數(shù)cnc功能最大控制軸：2進給軸+1主軸 聯(lián)動軸數(shù)：2軸最小分辨率：1微米自動加減速控制（直線/s曲線）參考點返回坐標(biāo)系設(shè)定 加工過程圖形仿真顯示和實時跟蹤 m、s、t功能nmdi功能 內(nèi)部二級電子齒輪n加工過程圖形靜態(tài)仿真和實時跟蹤 簡單

17、車削循環(huán) 復(fù)合車削循環(huán)cnc編程最小編程尺寸：0.001毫米、度 最大編程尺寸：99999.999最大編程行數(shù)：20萬行 公/英制編程絕對/相對指令編程 宏指令編程子程序調(diào)用 工件坐標(biāo)系設(shè)定直徑/半徑編程 自動控制倒角（圓角、直角）恒線速切削功能插補功能直線插補，最大3個軸圓弧插補 螺紋切削刀具補償功能刀具長度補償 刀尖半徑補償操作功能5.7/tft彩色液晶顯示屏 防靜電薄膜編程面板與機床操作面板pc標(biāo)準(zhǔn)鍵盤接口 手持單元（選件）圖形顯示功能與動態(tài)實時仿真 網(wǎng)絡(luò)通訊功能進給軸功能無限旋轉(zhuǎn)軸功能 最高設(shè)定速度21000mm/min進給修調(diào)0%-150% 快移修調(diào)0%-100%多種回參考點功能：單

18、向、雙向主軸功能主軸速度：可通過plc編程控制（最大60000rpm）主軸修調(diào)：從0%-150% 主軸速度和修調(diào)顯示變速比和變速比級數(shù)可通過plc編程控制輔助功能 冷卻開/停n 自動換刀 n主軸正反轉(zhuǎn) pcl功能內(nèi)嵌式plc 提供標(biāo)準(zhǔn)plc例程 plc狀態(tài)顯示以上數(shù)控裝置特點及表3-2所示功能參數(shù)，可以滿足本方案對縱向進給系統(tǒng)、橫向進給系統(tǒng)等伺服進給交流伺服電機半閉環(huán)控制，達到經(jīng)濟型一般為分辨率10 p m，進給快移速度8000-15000m mmin的性能，符合設(shè)計要求。五、光電編碼器的安裝主軸箱沒有改造，主軸的轉(zhuǎn)速和刀架進給是沒有關(guān)聯(lián)的，為保持切削螺紋的功能，必須在主軸上安裝光電編碼器。光

19、電編碼器在切削螺紋時可解決主軸旋轉(zhuǎn)與坐標(biāo)軸進給的同步控制。光電編碼器與主軸傳動比1：1，要求主軸轉(zhuǎn)一周工作臺移動一個導(dǎo)程，以保證切削螺紋的螺距準(zhǔn)確。主軸光電編碼器安裝方式有兩種6：（1）同軸安裝；（2）異軸安裝。同軸安裝，同軸安裝的兩種聯(lián)接方式，從傳動聯(lián)結(jié)方式分為剛性連結(jié)和柔性聯(lián)接，波紋管聯(lián)接為柔性聯(lián)接，橡膠套聯(lián)接為剛性聯(lián)接，結(jié)構(gòu)簡單，與主軸直接聯(lián)接。但缺點是與主軸的聯(lián)接較困難，原主軸孔將被遮擋，無法進行穿越主軸孔工件的加工。異軸安裝，是通過齒輪或同步齒形帶聯(lián)接的兩種方式，齒輪聯(lián)接結(jié)構(gòu)簡單，聯(lián)接方便，且成本低。但缺點是易引起同軸度誤差，制造和安裝精度要求較高，有時會造成信號失真，甚至造成編碼器

20、的損壞。采用同步帶傳動，可有效克服普通傳動齒輪的缺點,由于同步帶的柔性聯(lián)接，傳動精度高，制造安裝方便。目前市場上的數(shù)控車床光電編碼器很多，根據(jù)加工精度的要求，可選用廣西博盈達(原柏菱達)數(shù)控設(shè)備有限公司(廣州數(shù)控成套設(shè)備經(jīng)銷商) 生產(chǎn)的數(shù)控車床主軸編碼器b-zxf。六、導(dǎo)軌的改造數(shù)控機床進給運動導(dǎo)軌要有更高要求。普通車床導(dǎo)軌大多采用的是滑動導(dǎo)軌，其動、靜摩擦系數(shù)大，使用一段時間后都會有不同程度的磨損，對機床傳動精度和其保持性帶來很大的影響。因此在對其進行數(shù)控化改造時機床導(dǎo)軌也要進行必要的改造。目前普通車床數(shù)控化改造，比較經(jīng)濟可行的方法是貼塑導(dǎo)軌7，即在金屬導(dǎo)軌滑動面上貼上一層抗磨塑料軟帶（聚四

21、氟乙烯軟帶），與之相配的金屬導(dǎo)軌滑動面需磨削和淬火處理。聚四氟乙烯軟帶一般貼在動軌上。帶塑料層的滑動導(dǎo)軌具有磨擦系數(shù)低，低速進給時不爬行，且動、靜磨擦系數(shù)差值小，有高的運動靈敏性；減振性好，具有良好的的阻尼性，高速進給時不振動；耐磨性好，有自潤滑作用，精度保持性好；結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、成本低等特點。七、自動回轉(zhuǎn)刀架的選型臥式車床數(shù)控化應(yīng)將原車床的普通手動轉(zhuǎn)位刀架替換成自動轉(zhuǎn)位刀架8。自動轉(zhuǎn)位刀架由數(shù)控系統(tǒng)控制，一次裝夾可以加工幾道工序，效率高，工藝性能可靠，其原理圖如圖3-9所示。根據(jù)性價比原則，可采用南京大地數(shù)控有限公司生產(chǎn)的ld4ck0620四方刀架，如圖3-10所示。刀架安裝在原機床小刀架的位置上較為合適。刀架的動作順序如下:電動機(三相異步微型電動機)減速機構(gòu)(蝸輪蝸桿)上升機構(gòu) (螺旋機構(gòu))刀架旋轉(zhuǎn)電器信號確定(霍爾元件)電機反轉(zhuǎn)粗定位(反靠盤)刀架下降精定位刀架鎖緊換刀終了信號執(zhí)行加工程序。圖3-9圖3-10 ld4ck0620四方刀架外形及結(jié)構(gòu)圖 ld4型系列立式電動刀架采用渦輪蝸桿傳動，上下