CA6140臥式車床自動控制技術改造畢業(yè)論文

1、ca6140臥式車床自動控制技術改造第一章 ca6140臥式車床簡介1機床的特點與用途 ca6140型臥式車床，其結構具有典型的臥式車床布局，它的通用性程度較高。加工范圍較廣，適合于中小型的各種軸類和盤套類零件的加工；能車削內外圓柱面、圓錐面、各種環(huán)槽、成形面及端面；能車削常用的米制、英制、模數(shù)制及徑節(jié)制四種標準螺紋，也可以車削加大螺距螺紋、非標準螺距及較精密的螺紋；還可以進行鉆孔、擴孔、鉸孔、滾花和壓光等工作。2. 機床的主要結構ca6140型普通車床的主要組成部件有：主軸箱、進給箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、絲杠和床身。 圖1-1 ca6140外形結構圖 1、11床腿 2.進給箱 3.主軸

2、箱 4.床鞍 5.中滑板 6.刀架7回轉盤 8.小滑板 9.尾座 10.床身 12.光杠 13.絲杠 14.溜板箱主軸箱：又稱床頭箱，它的主要任務是將主電機傳來的旋轉運動經過一系列的變速機構使主軸得到所需的正反兩種轉向的不同轉速，同時主軸箱分出部分動力將運動傳給進給箱。進給箱：又稱走刀箱，進給箱中裝有進給運動的變速機構，調整其變速機構，可得到所需的進給量或螺距，通過光杠或絲杠將運動傳至刀架以進行切削。絲杠與光杠：用以聯(lián)接進給箱與溜板箱，并把進給箱的運動和動力傳給溜板箱，使溜板箱獲得縱向直線運動。絲杠是專門用來車削各種螺紋而設置的，在進行工件的其他表面車削時，只用光杠，不用絲杠。溜板箱：是車床進

3、給運動的操縱箱，內裝有將光杠和絲杠的旋轉運動變成刀架直線運動的機構，通過光杠傳動實現(xiàn)刀架的縱向進給運動、橫向進給運動和快速移動，通過絲杠帶動刀架作縱向直線運動，以便車削螺紋。3傳動系統(tǒng)的分析 該機床的傳動系統(tǒng)可以分解為主運動傳動鏈和進給運動傳動鏈。進給運動傳動鏈又可分解為螺紋進給傳動鏈、縱向機動相橫向機動進給傳動鏈，同時還有刀架的快速移動傳動鏈。（1）主運動傳動鏈 傳動路線 ca6140型臥式車床主運動，是由主電動機經三角皮帶傳至主軸箱中的軸i，軸i上裝有一個雙向多片式摩擦離合器m1，用以控制主軸的啟動停止和換向。軸i的運動經離合器m1和軸ii-iii間變速齒輪傳至軸iii，然后分兩路傳遞給主

4、軸。 a高速傳動路線 主軸vi上的滑移齒輪z50處于左邊位置，運動經齒輪副直接傳給主軸。b中低速傳動路線 主軸vi上的滑移齒輪z50處于右邊位置，且使齒式離合器m2接合，運動經軸iii-iv-v間的背輪機構和齒輪副傳給主軸。 主軸的轉速級數(shù)與轉速計算 根據(jù)傳動系統(tǒng)圖和傳動路線表達式，主軸正轉可獲得23(22-1)+23=24級不同轉速。同理，主軸反轉12級。 （2）螺紋進給運動傳動鏈ca6140型臥式車床螺紋進給運動傳動鏈，可以保證機床車削公制、英制、模數(shù)制和徑節(jié)制四種標準螺紋。此外，還可以車削大導程、非標準和較精密的螺紋。不同標準的螺紋用不同的參數(shù)表示其螺距。無論車削哪一種螺紋，都必須在加工

5、中保證主軸每轉一轉，刀具準確地移動被加工螺紋一個導程的距離。 （3）機動進給傳動鏈 實現(xiàn)一般車削時刀架機動進給的縱向和橫向進給傳動鏈，由主軸至進給箱中軸xvii的傳動路線與車公制或英制常用螺紋的傳動路線相同，其后運動經齒輪副傳至光杠xix（此時離合器m5脫開，齒輪z28與軸xix 齒輪z56 嚙合)，再由光杠經溜板箱中的傳動機構，分別傳至光杠齒輪齒條機構和橫向進給絲杠xxvii。 溜板箱中的雙向牙嵌式離合器m8、m9和齒輪傳副組成的兩個換向機構，分別用于變換縱向和橫向進給運動的方向。利用進給箱中的基本螺距機構和增倍機構，以及進給傳動鏈的不同傳動路線，可獲得縱向和橫向進給量各64種。 （4）刀架

6、的快速移動傳動路線 刀架的快速移動是使刀具機動地快速退離或接近加工部位，以減輕工人的勞動強度和縮短輔助時間。當需要快速移動時，可按下快速移動按鈕，裝在溜板箱中的快速電動機（0.25kw，2800r/min）的運動便經齒輪副傳至軸xx，然后再經溜板箱中與機動進給相同的傳動路線傳至刀架，實現(xiàn)縱向和橫向的快速移動。 圖1-2 ca6140傳動結構圖第二章 總體改造方案根據(jù)實際工況，ca6140型車床的數(shù)控化改造方案如下： 1 數(shù)控系統(tǒng)選用南京產j wk - 15t 型數(shù)控系統(tǒng) 一般小型機床的數(shù)控化改造多半采用開環(huán)控制方式。數(shù)控系統(tǒng)多數(shù)為以單板機為主控制單元的簡易數(shù)控系統(tǒng)。因為該控制方式投資少，安裝調

7、試方便。這里我們選用南京產j wk -15t 型機床數(shù)控系統(tǒng)安裝到ca6140車床上。經過改裝后的數(shù)控機床工作原理框圖如圖1 所示。圖2-1 數(shù)控機床工作原理圖本系統(tǒng)由數(shù)控單元雙 8031機、步進驅動單元、專用控制程序、功率驅動、步進電機、步進電機減速裝置或轉位機構和絲杠等組成。在加工零件時, 編制的數(shù)控程序數(shù)據(jù)輸入 ram(62256)中,專用控制程序 epram (27256 .2764) 在中央處理單元的支持下,按照所輸入的加工程序數(shù)據(jù), 經過計算處理 , 發(fā)出一系列的組合脈沖,經過驅動功放,驅動步進電動機,拖動機械負載分別控制縱、橫兩個方向的運動方向、運動速度、位移長度,實現(xiàn)車床的微機

8、控制。當程序執(zhí)行到換刀指令時,指令只給四個霍爾元件中的一個提供電源, 并同時接通電機電源使電機正轉;當轉位完成,霍爾元件反饋, 控制電機反轉,夾緊完成;然后執(zhí)行下面的加工程序。 我們選用的j wk - 15t型機床數(shù)控系統(tǒng),采用iso國際標準數(shù)控代碼編程,能自動完成車削端面、內外圓柱面、倒角、任意錐面、球面、圓弧逼近的任意曲面以及公英制的螺紋加工,并配有完備的s、m、t功能。系統(tǒng)采用模塊化設計,內部設有計算機、電源、接口、驅動等模塊,具有體積小、重量輕、功耗低、功能多、速度高、操作維修方便等特點。2 保留原機床的主軸旋轉運動，在主軸安裝一個脈沖發(fā)生器圖2-2 主軸箱改造圖 在改造時，一般不改造

9、主軸箱。因為若改造主軸箱，必然使機床改造的總費用加大，改造周期也將延長，這樣會降低中、小型普通機床的改造的經濟價值。在主軸加脈沖發(fā)生器，是為了保證車螺紋時嚴格的運動關系，在主抽上安裝gd7072光電脈沖發(fā)生器，通過主軸脈沖發(fā)生器數(shù)控系統(tǒng)步進電機的信息交換系統(tǒng)，實現(xiàn)主軸轉一圈，刀架縱向進給一個螺紋導程的車螺紋運動。3 進給系統(tǒng)的改造取消原進給箱，將原絲杠換成滾珠絲杠，并在其尾端聯(lián)結一對齒輪進行減速, 然后與步進電機相聯(lián)。普通車床的進給傳動多半為齒輪傳動，隨著進給變換級數(shù)的增多，齒輪對數(shù)和操縱機構顯著增加。傳動鏈的增長，不僅使進給箱結構復雜，還因齒輪間隙的多個累積，反向間隙增大，急驟地降低了反向定

10、位精度。進給系統(tǒng)的改造主要是減少進給箱內的齒輪對數(shù)，縮短進給傳動鏈。所以一般改造時，是去掉進給箱。 用滾珠絲杠副代替普通絲杠副是因為滾珠絲杠副具有傳動精度高、效率高、運動平穩(wěn)、壽命長以及可以預緊以消除間隙并提高系統(tǒng)剛度，反向定位精度高等特點。4 導軌副設計在導軌上粘接軟帶?；瑒訉к壍撵o摩擦因數(shù)大，動摩擦因數(shù)隨速度變化而變化，摩擦損失大，在低速時易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，直接影響運動部件的定位精度。在原移動部件的導軌l粘接聚四氟乙烯軟帶，該軟帶具有下述優(yōu)點：摩擦因數(shù)小，動、靜摩擦因數(shù)差別小，部件運行平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，定位精度高。沒有振動，提高了工件表面加工質量，延長了刀具使用壽命。軟帶耐磨損，且嵌入性能好

11、，與其配合的金屬導軌面不會拉傷。軟帶有自潤滑性，當機械潤滑系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，導軌不會拉傷。5 刀架選型綜上所述，ca6140 普通車床數(shù)控化改造后的總圖如下： 圖2-3 ca6140 車床數(shù)控化改造方案圖第三章 進給系統(tǒng)主要設計計算縱向(z)進給絲杠改用滾珠絲杠，其基本導程l06mm；縱向溜板箱及橫向工作臺與刀架等可移動部件的總質量為400kg(實際設計時應根據(jù)圖紙進行計算或拆卸稱量)；脈沖當量取為0.01mmstep,(應根據(jù)被加工零件的最高精度的尺寸公差來選定，一般取其公差的二分之一);這里取工進速度為v溜60mm/min；快進速度取為v溜2m/min；步進電機的步距角0.75。/step。

12、 1 縱向進給運動的負載分析 步進電機的負載有外力負載(切削力)、摩擦負載和慣性負載，所選步進電機必須克服這些負載才能作正常的進給驅動。 (1) 切削負載。假設采用的切削用量范圍：v1.75ms；ap5mm；f0.3mm/r，則其主切削力(可根據(jù)切削原理近似公式計算)fz3000n(垂直向)，取fx0.6 fz1800n(縱向)，fy0.5 fz1500n(橫向)(根據(jù)機床設計手冊在一般車外因時只，fx(0.10.6) fz，f、(0.150.7) fz。設計時，也可根據(jù)主電機的功率來計算能承受的最大主切削力fzmax。但這樣計算，fzmax往往很大，因原機床主電機功率是按最大原則選取的。還可

13、根據(jù)機床的限用最大切削用量進行計算。 (2) 摩擦阻力。當溜板箱導軌為滑動摩擦時，取其摩擦系數(shù)0.1，因主切削力壓向導軌，則摩擦阻力f 摩(400l0十3000)0.1700n(g10ms2時)，(其它摩擦阻力這里未計算)。 (3) 等效轉動調量計算。根據(jù)理論力學公式計算進給系統(tǒng)中各回轉零部件的轉動損量。設減速比為i，則 il0/360=0.756/3600.01=1.25故可取z120、z 225; m1.5(模數(shù))，b20(mm)2(cm)(齒寬)，20。；df1mz1=30(mm)，df2mz237.5(mm)，de1df1十2633(mm)，de2df2十2h40.5(mm)。則齒輪的

14、轉動慣量分別為(齒輪為45號鋼，并將齒輪近似看作圓柱體) jz17.8d4e1b10-4=7.83.34210-4=0.185(kgcm2)=1.8510 -5(kgm2)jz27.8d4e2b10-4=7.84.054210-4=4.210 -5(kgm2) 若根據(jù)類比法，選用cmfzd4063.5c31200絲杠其長度為1.2m(鋼材)，直徑d040mm，則絲杠的轉動慣量近似為 jz7.84412010-423.96(kgcm2)2.410-3(kgm2)設電機轉子的轉動慣量為4.610-4 (kgm2)(當?shù)刃У诫姍C軸上的負載轉動慣量大于電機轉子轉動調量一個數(shù)量級時，可以忽略，但當?shù)刃У?/p>

15、電機軸上的負載慣量較小時，就不能輕易地忽略它。現(xiàn)預選電機為110bf003，其電機轉子軸的轉動慣量為4.610-4 (kgm2)* 根據(jù)文獻【1】式(64)可知 jk=1/42i(vi/nk)2+j(nj/nk)2式中vi采用最不利于機床起動時速度，這里選用快進給速度v溜2mmin；則nk=nm(電機)v溜(360)4l 6.67(rmin)；mi400kg(全部直線運動部件的總質量)；nz1nm；nz2nz1/i333.34(rmin)。則jm1/42400(2416.67)2十jz1十jm十(jz2十js)i2 2.34l0-4十4.610-4十1.8510-5十(4.210-5十2.41

16、0-3)1.2522.28l0-3(kgm2)(4) 絲杠摩擦阻力矩(tsm)的計算。由于絲杠承受袖向載荷，又由于采取了一定的預緊措施，故滾珠絲杠會產生摩擦阻力矩。但由于滾珠絲杠的效率高，其摩擦阻力矩相對于其它負載力矩小得多，故一般不予考慮。(5) 等效負載轉矩t m。由文獻【1】式(68)得 t m(f摩十fx)v溜nm十0(1800十700)2416.671.9l(nm)(6) 啟動慣性阻力矩(t慣)的計算。以最不利于啟動的快進速度計算時，設啟動加速(或制動減速時間為0.3s(一般在0.11s之間選取)，由于電機轉速mnm/60416.676043.631s，取加速曲線為等加(減)速梯形曲

17、線，故角加速度為 mm/43.630.3145.4(1/s2)則 t慣jmm2.2810-3145.40.332(nm) (7) 步進電機輸出軸上總負載轉矩的計算 tjm十t慣1.91+0.322=2.242(nm)2 步進電機的匹配選擇 上述計算均未考慮機械系統(tǒng)的傳動效審，當選擇機械傳動總效率0.7時： t1t=2.2420.7=3.2(nm)在車削時，由于材料的不均勻等因素約影響，會引起負載轉短突然增大，為避免汁算上的誤差以及負載轉矩突然增大引起步進電機丟步，從而引起加工誤差，可以適當考慮安全系數(shù)。安全系數(shù)一般可在1.22之間選取。如果取安全系數(shù)尺1.5，則步進電機可按以下總負載轉矩選取

18、t2k t11.53.24.8(nm) 若選用上述預選的電機110bf003，其最大靜轉矩tjmax7.84nm。在三相六拍驅動時，其步距角為0.75。step，為保證帶負載能正常加速起動和定位停止，電機的起動轉矩tq必須滿足 tqt2由文獻【1】表37可知，tqtjmax087，則tq087784682(nm)，故選用合適。3 滾珠絲杠的校核如在選擇滾珠絲杠時是根據(jù)原絲杠直徑大小按類比法選的名義直徑，就要對其負載能力進行必要的校核；若是根據(jù)承載能力選出的，則應對壓桿穩(wěn)定及其剛度進行必要的校核。由于在選擇絲杠時，是根據(jù)類比法選的，故應進行相應項目的進一步校核。(1) 承載能力的校核。根據(jù)文獻【

19、1】公式(21) q fh fw pmaxc0。式中 l=60nt106,取t15000,nns416.67/i333. 3(rmin);fh=1.0（hrc為58時),fw1.2(平穩(wěn)或輕度沖擊時)，pmaxfx十f摩1800+7002500(n)則 q fh fw pmax=20082(n)查有關滾珠絲杠額定載荷c079339q。 (2) 壓桿穩(wěn)定性驗算。根據(jù)文獻【1】公式(22) pkfk2ei/(kl)2 pmax式中 fk2(雙推一簡支)，e2.1108(pa)， i/32d14/323.544 =14.7(cm)4 (d135mm) 取k4，lls120cm則 pk23.14162

20、2.110814.7(41202)=1.06106 pmax (3) 剛度的驗算。根據(jù)根據(jù)文獻【1】公式(23) =pl0/es+ml0/2ie (均取拉伸時)式中 l00.6cm,e2.1108pa,sd213.14163.5238.5(cm2) i14.7cm4，mtjmax i7.841.259.8(nm)980(ncm) p=pmax2500n則 25000.6/（2.110838.5）9800.62/（14.72.11082） 2.04107mm (滿足使用要求)第四章 刀架的選型采用南京大地數(shù)控有限公司生產的ld4ck0620四方刀架, 安裝在原機床小刀架的位置上較為合適。刀架的動

21、作順序如下:電動機(三相異步微型電動機)減速機構(蝸輪蝸桿)上升機構 (螺旋機構)刀架旋轉電器信號確定(霍爾元件)電機反轉粗定位(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。其原理圖與螺旋升降轉位刀架相似圖4-1螺旋升降轉位刀架圖 圖4-2 ld4ck0620四方刀架外形及結構圖圖4-3 ld4ck0620四方刀架參數(shù)表圖ld4型系列立式電動刀架采用渦輪蝸桿傳動，上下齒盤嚙合，螺桿夾緊的工作原理。具有轉位快，定位精度高，切向扭矩大的優(yōu)點。發(fā)信轉轉位采用霍爾元件，使用壽命長。并且完全滿足刀架設計使用的要求，即a夾緊力在4000n 以上,b需要進行四個方位的轉換選擇,c重復定位精度不大于0.005mm。待添加的隱藏文字內容3結束語改造此種車床的目的：一是提高原車床的精度和自動化程度, 達到