CA6140車床的數(shù)控改造—進給系統(tǒng)的研究設計與應用

1、 畢 業(yè) 論 文 (設 計) 題 目CA6140車床的數(shù)控改造 ?進給系統(tǒng)的改造 英文題目 The numerical control transformation of CA6140laths 院 系 專 業(yè) 姓 名 年 級 指導教師 二零零七年六月 摘要 企業(yè)要在當前市場需求多變,競爭劇烈的環(huán)境中生存和開展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品,以最低價格、最好的質量、最短的時間去滿足市場需求的不斷變化。而普通機床已不適應多品種、小批量生產(chǎn)要求,數(shù)控機床那么綜合了數(shù)控技術、微電子技術、自動檢測技術等先進技術,最適宜加工小批量、高精度、形狀復雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要換零件加工

2、程序,無需對機床作任何調整,因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。 如果將機床設備全部更新?lián)Q代,不僅資金投入太大,本錢太高,而且原有設備的閑置又將造成極大的浪費。所以最經(jīng)濟的方法就是進行普通機床的數(shù)控改造。采用數(shù)控改造技術,不但可以使改造后的機床滿足了技術開展的需要,提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)品精度,增大了設備適應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缺乏。所以采用此方法對中、小型企業(yè)來說是十分理想的選擇。 CA6140型車床具有性能良好、結構先進、操作輕便等特點 ,在我國機械制造行業(yè)中使用非常廣泛。本設計就取其為例,主要介紹其數(shù)控化改造的方案、以及改造部位的選型與設計計算。 【關

3、鍵詞】: CA6140車床 數(shù)控化改造 進給系統(tǒng) 刀架Abstract The enterprise must be changeable in the current market demand, competes in the intense environment the survival and the development needs rapidly the renewal and the development new goods come into the market the product, by the lowest price, the best quality, th

4、e shortest time satisfies the market demand the unceasing change. But the ordinary engine bed unsuitable multi- varieties, the small volume production request, the numerical control engine bed synthesized the numerical control technology, the micro electron technology, the automatic detection techno

5、logy and so on the advanced technology, most is suitable processes the small batch, the high accuracy, the shape is complex, the production cycle requests the short components. When change processing object only needs to trade the components processing procedure, does not need to make any adjustment

6、 to the engine bed, therefore can satisfy the product frequent change well the processing request If engine bed equipment completely renewal, not only fund investment is too big, the cost is too high, moreover the original equipment will leave unused creates the enormous waste. Therefore the most ec

7、onomical means are carry on the ordinary engine bed the numerical control transformation. Use the numerical control transformation technology, not only was allowed to cause the transformation of the engine bed to meet the technological development needs, enhanced the productivity and the product pre

8、cision,increased the equipment adaptiveness and the shape processing scope, but also was allowed to make up orders the new numerical control engine bed delivery cycle long insufficiency. Therefore uses this method to the middle and small enterprises is the extremely good choiceCA 6140 is the convent

9、ional lathe that has the good performance, the advanced structure, and the operation of it is very easy.So the uses of it in our country machine manufacture profession are extremely wide. The design takes it is the example, mainly introduces the plan of its numerical control transformation , as well

10、 as the spot shaping of the transformation and the design calculation.【Keywords】: CA6140laths , the numerical control transformation, design目錄前 言1一 CA6140臥式車床的簡介31.機床的特點與用途32. 機床的主要結構33.傳動系統(tǒng)的分析4二 總體改造方案7三 進給系統(tǒng)的主要設計計算101.縱向進給運動的負載分析102.步進電機的匹配選擇123.滾珠絲杠的校核12四 刀架的選型14結束語16參考文獻17謝辭18前 言 機械制造業(yè)在國民經(jīng)濟中具有十分

11、重要的地位和作用。機械制造業(yè)提供的裝備水平對國民經(jīng)濟各部門的技術進步有著很大的和直接的影響。機械制造業(yè)的規(guī)模的水平是反映國民經(jīng)濟實力和科學技術水平的重要標志。因而,世界各地都把開展機械制造業(yè)作為振興和開展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。20世紀70年代以后,由于微電子技術、控制技術、傳感器技術、機電一體化技術的迅速開展,特別是計算機的廣泛應用,不僅給機械制造領域帶來了許多新工藝、新技術、新觀念,而且使機械制造技術產(chǎn)生了質的飛躍,走上了一個新的臺階。我國是制造業(yè)大國,但不是強國。雖然機械制造業(yè)取得了很大的成績,但與國家經(jīng)濟開展需要和世界先進水平相比還是存在著較大的差距,必須迎頭趕上。 機械制造生產(chǎn)能力和

12、制造水平,主要取決于機械制造裝備的先進程度。機械制造裝備的核心為金屬加工機床。一個國家的機床工業(yè)水平在很大程度上代表著這個國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和技術水平。改革開放后,我國的機械制造裝備業(yè)獲得迅速開展,目前我國已能生產(chǎn)出多種精密、自動化、高效率的機床及自動生產(chǎn)線,例如已能生產(chǎn)100多種數(shù)控機床和加工中心等,并到達一定的技術水平,但與世界先進水平相比還有很大的差距,并且在我國企業(yè)中,大多真正投入生產(chǎn)中的還是普通機床。 隨著計算機技術的飛速開展,機床的數(shù)控化已經(jīng)成為現(xiàn)實。以數(shù)控機床為代表的現(xiàn)代根底機械是制造業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)代化的重要設備,數(shù)控技術的水平上下和機床的數(shù)控化率是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要

13、標志。我國是一個開展中國家,無論從數(shù)控技術水平和機床的數(shù)控化率都落后于先進的西方興旺國家,特別是從上個世紀后期,國家采取了積極的財政政策和擴大內需的方針后,作為現(xiàn)代根底機械的數(shù)控機床就滿足不了工廠逐年增加的生產(chǎn)需求。 根據(jù)我國機床擁有量大、生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情,采用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)對普通機床進行數(shù)控化改造,對提高我國機械加工的數(shù)控化率,提升擁有大量普通機床的國有企業(yè)的加工能力,具有重要的意義。本文便以CA6140 型車床進行為例,利用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)對其進行數(shù)控化改造。 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

14、。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 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(jīng)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,同時主軸箱分出局部動力將運動傳給進給箱。 進給箱:又稱走刀箱,進給箱中裝有

15、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,在進行工件的其他外表車削時,只用光杠,不用絲杠。 溜板箱:是車床進給運動的操縱箱,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

16、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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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

17、可獲得232212324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(jīng)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,

18、再由光杠經(jīng)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。利用進給箱中的根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(jīng)齒輪副傳至軸XX,然后再經(jīng)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

19、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(chǎn)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,安裝調試方便。這里我們選用南京產(chǎn)J WK -15T 型機床數(shù)控系統(tǒng)安裝到CA6140車床上。經(jīng)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,

20、編制的數(shù)控程序數(shù)據(jù)輸入 RAM62256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(jīng)過計算處理 , 發(fā)出一系列的組合脈沖,經(jīng)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,霍爾元件反應, 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、

21、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 保存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,一般不改造主軸箱。因為假設改造主軸箱,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(jīng)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

22、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

23、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)差異小,部件運行平穩(wěn),無爬行現(xiàn)象,定位精度高。沒有振動,提高了工件外表加工質量,延長了刀具使用壽命。軟帶耐磨損,且嵌入性能好,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,其根本導程l0=6mm;

24、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0.01mm/step,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。 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:v=1.75m/s;ap=5mm;f=0.3mm/r,那么其主切削力可根據(jù)切削原理近似公式計算Fz=3000N垂直

25、向,取Fx=0.6 Fz=1800N縱向,Fy=0.5 Fz=1500N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Fz。但這樣計算,Fz往往很大,因原機床主電機功率是按最大原那么選取的。還可根據(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,那么摩擦阻力F 摩=400×l0十3000×0.1=700Ng=10m/s2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

26、部件的轉動損量。設減速比為i,那么 i=?l0/360?×6/360× 故可取Z1=20、Z 2=25; m=1.5模數(shù),b=20mm=2cm齒寬,=20。;df1=mZ130mm,df2=mZ2=37.5mm,de1=df1十26=33mm,de2=df2十2h=40.5mm。×b×××2××10 -5Kgm2×b×××2××10 -5Kgm2 假設根據(jù)類比法,選用CMFZD40××44×120××10-

27、3Kgm2××10-4 Kgm2* 根據(jù)文獻【1】式6?4可知Jk1/42iVi/nk2+jnj/nk2 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=2m/min;那么nknm電機=V溜/360×=4l 6.67r/min;Mi=400Kg全部直線運動部件的總質量;nz1=nm;nz2=nz1/i=333.34r/min。 那么Jm=1/42×400×××××× =2.28×l0-3Kgm2 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

28、施,故滾珠絲杠會產(chǎn)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6?8得 T m=F摩十Fx×V溜/nm十0 =1800十700× 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m=nm/60=×416.67/60=43.631/s,取加速曲線為等加減速梯形曲線,故角加速度為×10-3×145.4=0.332Nm 7 步進電機輸出軸上總負載轉矩的計算 T 2 步進電機的匹

29、配選擇 上述計算均未考慮機械系統(tǒng)的傳動效審,中選擇機械傳動總效率=0.7時: T1=T 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,為防止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,可以適當考慮平安系數(shù)。 平安系數(shù)一般可在1.22之間選取。如果取平安系數(shù)尺=1.5,那么步進電機可按以下總負載轉矩選取 T2=K T1× 假設選用上述預選的電機110BF003,其最大靜轉矩Tj=7.84Nm。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 Tq>T2×7.84=

30、6.82Nm,應選用適宜。 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;假設是根據(jù)承載能力選出的,那么應對壓桿穩(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,故應進行相應工程的進一步校核。 1 承載能力的校核。根據(jù)文獻【1】公式2?1 Q= fH fw P>C0。(HRC為58時,fw=1.2平穩(wěn)或輕度沖擊時,P=Fx十F摩=1800+700=2500N 那么Q= fH fw P20212N 查有關滾珠絲杠額定載荷C0=79339>Q。 2 壓桿穩(wěn)定性驗算。根據(jù)文獻【1】公式2?2 Pk=fk2E

31、I/Kl2 P×108Pa, I=/32d14=/32×3.544 14.7cm4 d1=35mm 取K=4,l=ls=120cm 那么Pk=2×××108×××106 P 3 剛度的驗算。根據(jù)根據(jù)文獻【1】公式2?3 Pl0/ES+Ml0/2IE均取拉伸時×× I=14.7cm4,M=Tj i=7.84×1.25=9.8Nm=980Ncm PP=2500N 那么 =2500××108×38.5)+980×××108×

32、;2)×10-7mm 滿足使用要求 第四章 刀架的選型 采用南京大地數(shù)控生產(chǎn)的LD4-ck0620四方刀架, 安裝在原機床小刀架的位置上較為適宜。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 LD4-ck0620四方刀架外形及結構圖圖4-3 LD4-ck0620四方刀架參數(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。 結束語 改