CA6132普通车床数控化改造毕业设计.doc

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1、CA6132普通车床数控化改造）一、毕业设计（论文）题目： 二、毕业设计（论文）工作规定进行的日期：2009年7月 25 日起至2009年10月5日止 三、毕业设计（论文）进行地点： 四、任务书的内容：目的：任务： 工作日程安排： 设计（论文）要求： 主要参考文献： 学生开始执行任务书日期 200 年 月 日 学生送交毕业设计（论文）日期： 200 年 月 日指导教师签名： 教研室主任签名： 年 月 日 年 月 日学生签名： 年 月 日目 录摘 要I1 引言12 数控机床简介23 机床数控化改造的意义44 CA6132普通车床数控化改造5问题的提出5改造的主要内容5机械部分的改造6主传动系统的

2、改造6滚珠丝杠和伺服电机的选择计算8433伺服驱动器的选用：16刀架部分的改造19数控部分的改造21检验、调试255.结束语266.参考文献27摘 要数控机床（Numerical control machine tools）是一种利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的机床。它是一种典型的机电一体化产品。而目前我国机床数控化率且不足3%，与美国、日本、德国等发达国家还存在很大差距。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高、供货期长等问题，因此为了提高产品的竞争力，必须大力提高机床的数控化率。本文以CA6132普通车床的数控化改造为例，介绍了机床数控化改造的方法，包括其结构的

3、设计，性能与精度的选择以及最后改造方案的确定。关键词：数控；改造；车床 1 引言进入21世纪,我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机,也遭遇到加入WTO后激烈的市场竞争的压力。据调查显示到目前为止我国数控机床总数已达13万台左右，但是我国机床数控化率且不到3%，故大力提高机床的数控化率将促进我国制造业在国际上的竞争地位。本文主要通过对CA6132普通车床的数控化改造的设计学习，介绍了机床数控化改造的基本方法，包括结构的选用，性能与精度的选择以及最后实施改造的内容的确定。由于本人也是初学者，知识水平以及实践经验有限，文中难免存在错误和疏漏之处，敬请老师和同学能给

4、予批评指正。2 数控机床简介数字控制机床（Numerical Control Machine Tools）简称数控机床，这是一种将数字计算机技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置，经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性、高效能的自动化机床，是典型的机电一体化产品。数控机床一般由下列几个部分组成： 1）主机，它是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件，是用于完成各种切削加工的机械部

5、件。 2）数控装置，是数控机床的核心，相当于人的大脑，它包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 3）驱动装置，它是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动系统、伺服驱动系统、主轴电机及伺服电机等。它在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线以及曲面的加工。 4）辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作

6、台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 5） 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。与普通机床相比，数控机床有如下特点： 1）加工精度高，具有稳定的加工质量； 2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 3）加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 4）机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3-5倍）； 5）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 6）对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。 数控机床的优点：1） 数控机床能缩短生产准备时间，增加切屑加工时间的比率；2） 使用数控机床进行

7、生产，加工的零件精度高，产品质量稳定,从而有效的提高了产品在市场上的竞争力；3） 数控机床具有广泛的适应性和较大的灵活性，因此能够完成很多普通机床很难完成或者根本不能加工的、具有复杂型面、要求高精度的零件的加工；4） 许多数控机床如加工中心具有自动换刀功能，使零件一次装夹之后就能够完成多个加工部位的加工，实现了一机多用，大大节省了设备和厂房面积；5） 生产者可以对生产成本进行预算，并对生产进度进行合理的安排，以达到提高经济效益的目的；6） 应用数控机床进行生产，减轻了工人的劳动强度，提高了工人工作的环境质量，增加了工人的生产积极性，促进了生产，提高了生产效率。3 机床数控化改造的意义制造技术和

8、自动化水平的高低已成为一个国家或地区经济发展水平的重要标志，而其中最具代表性的就是数控机床。目前，我国是机床生产大国，但不是机床制造强国，国产机床的发展仍然难以支撑国民经济和国防军工的需要。与世界先进水平相比差距仍然十分明显。因为一方面我国普通机床保有量大，要将普通机床淘汰掉是不经济的，也是不现实的；另一方面，从我国目前生产状况来看，仍然以生产普通机床为主。然而，用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、精度低、成本高、供货期长等缺点，从而使产品在国际、国内市场上缺乏竞争力，这将直接影响一个企业的生产效益以及生存和发展。所以大力提高机床的数控化率已迫在眉睫，有很大的意义，而且普通机床的数

9、控化改造将会长期存在，并会不断的发展。机床数控改造的意义： 1）节省资金。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。4）可以采用最新的控制技术。可以根据技术革新

10、的发展速度及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改造为具有当今水平的机床。4 CA6132普通车床数控化改造4.1问题的提出数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。因此为了今后在工作中能尽快的熟悉使用数控技术对机床进行数控化改造，本次毕业设计我选择对CA6132普通车床进行数控化改造，通

11、过这次设计以提高自己在数控技术应用方面的能力。4.2改造的主要内容本次改造的普通车床型号为CA6132如下图，其有关参如下，基本参数床身上最大回转直径mm340刀架上回转直径mm180二顶尖间距离mm750主轴通孔直径mm50主轴头形式I床身导轨宽度mm400床身导轨硬度HRC52主电机功率kW4主轴转速范围r/min30-1600根据以上参数以及改造的相关要求对其进行数控化改造，主要包括传动系统的机械改造和数控装置的设计。由于对经济型数控机床的加工精度要求不高（一般能达到半精加工精度就可以了），为简化结构、降低成本，选用半闭环控制系统。通过控制纵、横进给系统，保证改造后的车床具有定位、直线插

12、补、圆弧插补、暂停等功能。为实现机床所要求的分辨率，采用伺服电机经齿轮减速再传动丝杠；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。为了能实现螺纹加工,在主轴上连接旋转编码器;为了能实现自动换刀,改用数控电动刀架。4.3机械部分的改造4主传动系统的改造为了降低成本和改造的工作量，突出改造的经济性，保留原有传动系统和变速机构，乘用机床原有的普通三相异步交流电动机拖动，即能满足改造的要求。考虑到加工过程中当电网电压和切削力矩发生变化时,电机的转速也会随之波动,直接影响加工零件的表面粗糙度。因此为提高加工精度,实现主轴自动无级变速,在主轴上增加了交流异步电动机变频调速系统,从而不

13、需进行机械换档。现在我们选用安川变频器进行变频调速。（1） 变频器容量的选择变频器容量选择的基本原则是负载电流不超过变频器额定的电流。由于变频器的过载能力没电机的的过载能力强，所以电动机有过载时，损坏的首先是就变频。因此选择变频器的电流和功率应比电动机的电流或功率在一个等级，一般为 I式中 -变频器额定功率(kW); P-电动机额定功率(kW); I-变频器额定电流(A); I-电动机额定电流(A).所以我们现在选用安川Varispeed G7系列变频器400V级中的CIMR-G7A45P5为我们所用的变频器。（2）编码器的选择：由于车削加工过程常常会遇到螺纹加工，所以要在主轴上连接一旋转编码

14、器供加工螺纹使用。旋转编码器与车床主轴之间用弹性元件联结，具体用波纹管联结。通过对比，选用上海恒祥光学电子有限公司的S70系列增量型旋转编码器。其相关资料如下，外径:70（实心轴）轴径:8 D型口 连接方式:插座侧出 电压:DC524V 分辨率:105000P/R 输出形式: 集电极开路、电压、长线和推拉输出 防护等级:IP54 安装形式：轴向固定4滚珠丝杠和伺服电机的选择计算为了提高传动效率和产品的加工精度，纵、横向传动全部用滚珠丝杠。由于本次改造的是经济型数控机床，其结构简单、价格便宜，调试、维护方便，一般用于精度不高的经济型数控机床，并且本次改造的机床主要用于粗加工及半精加工。为降低改造

15、成本，决定采用伺服半闭环控制方式对X轴（横向）和Z轴（纵向）进给系统进行改造。采用伺服电机经齿轮减速再传动给X轴和Z轴丝杠；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。1、纵向进给系统的设计 经济型数控车床的改造一般是伺服电动机减速驱动丝杆，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。伺服电机的布置，可放在丝杆的任意一端，对车床的改造来说，外观不必象产品设计要求的那么高，而从改造方便，实用方面考虑，一般都把步进电机放在纵向丝杆的右端。2、纵向进给系统的设计计算 已知条件：工作台重量W=800N，加速时间常数t=25ms，滚珠丝杠基本导程L=6mm，快速进给速度V=2m/min。

16、切削力计算由机床设计手册可知，切削功率式中Pc=NKP-电机功率，由条件我们选 P=4 KW-主传动系统总效率，一般为0.750.85,取=0.8;则： Pc =40.80.96=kW切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力(或转距)和最大切削转速(或转速)来计算,即 Pc =10或 Pc=式中 F-主主切削力(N); -切削速度（m/min） T-切削转距(N.m) n-主轴转速(r/min)设按最大切削速度来计算，取=100m/min，则主切削力Fz=（N）=（N）从机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时：Fx=(0.10.6)Fz Fz=(0.150.7)FzN=N(2)滚珠丝杆

17、设计计算 滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计归为滚珠丝杠副型号的选择。1）计算作用在丝杠上的最大动负荷 ：首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出丝杠副应能承受的最大动载荷。式中 工作负载(N)指数控机床工作时实际作用在滚珠丝杆上的轴向力; 运转系数，一般运转系数取1.21.5，有冲击的运转取1.52.5； 硬度系数，为60HRC时，为1；为1; G 寿命(以转为单位1，如1.5则为150万转)。寿命G可按下式计算： G=式中 n滚珠丝杠的转速(r/min); T使用寿命时间(h),数控机床T取15000h。 工作负载的数值可用机床

18、设计手册中进给牵引力的实验公式计算，对于三角形或综合导轨 =k+(+W)式中 、切削分力； W移动部件的重力(800N)； k考虑颠覆力矩影响的系数，k=1.15； 导轨上的因数，取=0.16。则 921.6+0.16(184302+800)N=1482.752N 当机床以线速度v=100m/min,进给两=/r,车削直径D=80mm的外圆时，丝杠的转速 n=r/min则G=根工作负载、寿命G，取=12，=1，计算出滚珠丝杆副承受的最大动负荷 =1由F查滚珠丝杠的产品样本或们参照江苏天安机械有限公司的滚珠丝杠的产品样本,选择滚珠丝杠的直径为32mm，型号为CDM3206-，其额定动载荷是140

19、22N，强度足够用。参数技术:2）效率计算：根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率为式中 螺纹的螺旋升角，该丝杠为325 摩擦角，约等于。 则=3)刚度验算：滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，将引起基本导程L的变化，因滚珠丝杠扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量L为 L= 式中 E10N/c； S滚珠丝杠截面积（按丝杠螺纹底径确定d，若d=），则S=。 其中，“+”用于拉伸时，“”用于压缩时。 则L=丝杠1m长度上导程变形总量误差为 =因3级精度丝杠允许的螺距误差为15，故此丝杠的精度足够。（3）确定齿轮传动比 根据系统的脉冲当量，选步进电动机的步距角，则 取齿轮齿数

20、,齿轮模数m=2m m,齿轮传动时效率（4）佩服电机的选择1）负载传动惯量估算 折算到伺服电机轴上的传动惯量可按下式估算 式中 -折算到电动机轴上的转动惯量（ 齿轮的转动惯量（） 齿轮的转动惯量（） 丝杠的转动惯量（） 估算参数。 对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式估算 式中 D圆柱零件的直径（cm） L-_零件轴向长度（cm）所以， 负载转动惯量 2）负载转矩计算及最大静转矩选择 根据能量守恒定律，电动机等效负载转矩 若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩 取安全系数为0.3，则 因为数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时应满足快速空载起动时所需转矩T的要求。 式

21、中空载快速起动时所需的转矩（N;克服摩擦所需转矩（）;-丝杠预紧所引起的折算到电动机轴上的附加转矩（）。当工作台快速移动时，电动机的转速 由动力学可知 T=J式中 -角加速度，计算公式为=。则 T= J10=T=式中 F-预加载荷, 一般为最大轴向载荷的1/3,即F/3则T= T+ T=(1.516+0.0175+0.406) 3)伺服电机的最高工作频率 Hz=Hz根据计算综合考虑,查表选用Star系列130ST-M06025H型伺服电机。（5）横向进给系统的设计计算 已知条件：工作台重量W=300N，时间常数t=25ms,滚珠丝杠基本导程L=4mm（左旋），快速进给速度=1m/min。由于横

22、向进给系统的设计计算与纵向类似，故计算过程略。 选择滚珠丝杠型号CDM2004LH-2.5-P3;减速齿轮Z=18, Z=30;伺服电机型号为110ST-M0403H.433伺服驱动器的选用：根据改造的要求选用的两个伺服电机，X轴方向只是使刀具切入工件，受力较小，所以选用型号为DA98-12-110ST-M04030H驱动器配X轴；Z轴方向处于进给方向，受力大，应选用型号为DA98-16-130ST-M07720H驱动器配Z轴驱动器的安装要求 再选用由上海大江电器有限公司杨子民器厂生产的BS-200三相隔离变压器为伺服驱动器提供电源。变压器外形与安装尺寸图如下：车床的机械结构改造要求： 具体改

23、造如下：纵向进给机构的改造，拆除原车床的进给箱，利用原车床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱体，滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端采用原固定方式，这样可减小改装现场，安装时注意用百分表校验丝杠与导轨的平行度，拖板与导轨的垂直度，由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚性略优于以前；横向进给机构改造，保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，将原来的丝杠换成滚珠丝杠，滚珠丝杠仍然安装在原丝杠位置，两端采用原来的安装方式，安装时注意用百分表校验丝杠与导轨的垂直度；伺服电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧，纵、横向伺服电机都采用一级齿轮减速器（11）与滚珠丝杠连接。4刀架部分的改造为

24、了能实现自动换刀，选用适合车床用的四工位数控电动刀台，具体选择常达机床数控设备有限公司的LD4（HAK20）电动刀架。其工作原理及特点：LD4型系列电动刀架采用蜗杆副传动，螺杆锁紧无触点霍尔元件发信的工作原理，具有转位快，定位精度高，刚性好的优点。是普遍采用的经济型产品。图形、尺寸、参数如下：具体改造：拆除原刀架和小拖板，换上数控电动刀架。选用欧姆龙的d4n型限位开关保护车床外型如图4.4数控部分的改造本次改造为经济性改造，一般国产的数控系统就能满足要求，为了降低成本选用广州数控设备有限公司的GSK980TD车床数控系统，其相关参数如下， 1.GSK 980TD车床数控系统产品特点： X、Z二

25、轴联动、m级插补精度，最高速度16m/min（可选配30m/min） 内置式PLC，可实现各种自动刀架、主轴自动换档等控制，梯形图可编辑、上传、下载；I/O口可扩展 （选配功能） 具有攻丝功能，可车削公英制单头/多头直螺纹、锥螺纹、端面螺纹，变螺距螺纹，螺纹退尾长度、角度和速度特性可设定，高速退尾处理 支持CNC与PC、CNC与CNC间双向通讯，系统软件、PLC程序可通讯升级 提供多级操作密码功能，方便设备管理 具有螺距误差补偿、刀尖半径补偿、反向间隙补偿功能 集成中文、英文显示界面，由参数选择 具有S型、指数型加减速控制功能，适应高速、高精加工 零件程序全屏幕编辑，可存储3000KB、192

26、个零件程序 安装尺寸、电气接口、指令系统、操作显示2.基本功能 提供技术规格中未注明选配的功能，包括：快速最高16米/分钟、进给最高8米/分钟、螺距误差补偿、刀具半径补、主轴模拟电压控制(变频主轴)、通讯、用户输入16点/输出16点、四档主轴自动换档(仅1、2档有档位检测)、液压卡盘、液压尾座、48工位电动刀架(单向选刀)等功能。注：斜体字表示的功能为标准PLC梯形图定义的I/O口功能(与GSK980TA兼容)3.选配功能 快速：最高快速移动速度30米/分钟（进给最高15米/分钟）I/O 扩展：增加用户输入16点/输出16点（XS41、XS42接口） 后盖接线图：4.5检验、调试车床改造完后需

27、要进行检验和调试，具体是：在手动方式下分别点动X、Z方向，检查伺服电机的运动状况是否正常。手动四方刀架进行换刀测试，检查换刀动作是否正常。将机床回零，对刀，写一段程序，试切、加工零件，看精度及性能是否能达到要求。用螺纹加工程序，检查加工出来的螺纹是否符合加工要求。 经过上述步骤的检验和调试后，本次对CA6132普通车床进行经济型数控化改造也就完成了，机床可以投入正常运行了。结束语通过这次毕业设计，我学到很多知识，很多书本上都不曾学到过的知识，我们作为学生不仅要学习理论知识，更重要的是要学会理论与实践相结合，这样我们的知识才会有用武之地。在改造中，指导老师给予了我很大的帮助。老师不仅为我提供资料

28、，而且对于改造中出现的疑问，也及时解答和指导，使我的毕业设计得以顺利完成。在此，谨向老师表示衷心的感谢。由于本人知识水平及实践经验有限，在文中肯定存在许多不足，恳请各位老师批评指正。参考文献1 夏凤芳.数控机床.北京：高等教育出版社，20052 张建民等.机电一体化系统设计.北京：北京理工代数学出版社，20073 .北京：电子工业出版社，20044 张超英，罗学科.数控机床加工工艺、编程及操作实训.北京：高等教育出版社，20035 刘又午主编.数字控制机床.上海:上海科学技术出版社,19906 张新义等编.经济型数控机床系统设计.北京:机械工业出版社,19947 江苏天安机械有限公司；CDM系列滚珠丝杠副技术参数说明书8 CA6132普通车床说明书9 上海恒祥光学电子有限公司；S70系列增量型旋转编码器技术参数说明书10广州数控设备有限公司；GSK980TD车床数控系统使用说明书11罗永顺主编 机床数控化改造技术。北京：机械工业出版社，2007