普通车床数控化改造进给系统及刀架设计毕业设计说明书.docx
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普通车床数控化改造进给系统及刀架设计毕业设计说明书
毕业设计
设计题目:
普通车床数控化改造——进给系统及刀架设计
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矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
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聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
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残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
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酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
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普通车床数控化改造-进给系统及刀架设计
摘要
普通车床的数控化改造一般是指对现有普通车床的某些部位做一定的改造,配上经济型数控装置或标准型数控系统,从而使原车床具有数控加工能力。
数控化改造后的车床自动化程度高,专业性强,加工精度及生产率高;适应多品种、中小批量生产;数控改造费用低,经济性好;能发挥机床原有功能和改造后的新增功能,提高机床的使用价值;数控改造周期短,可满足生产急需。
本文以CA6140车床为例,对普通车床进行了数控化改造设计,主要研究内容如下:
彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
分析普通车床的结构组成及其功能,研究确定普通车床数控化改造方案,并进行经济性论证。
根据普通车床的加工能力,对车床的主轴箱进行部分改造并简要说明。
根据机械、动力学及电气设计原理以及机床进给系统的要求,对切削力进行计算,选择合适的滚珠丝杠并进行装配设计。
设计选择滚珠丝杠支承方式与相应的轴承、步进电机。
选择设计自动回转刀架并进行相应的校核验算。
根据所改造的性能和精度指标来选配合适的数控装置系统。
给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。
謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
关键词:
普通车床数控化改造进给系统刀架
NumericalControlInnovationofcommonlathes—theDesignofFeedingSystem&ToolPost厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
Abstract
Thenumericalcontrolinnovationofcommonlathesgenerallymeanstotransformtheexistingcommonlathes,justmaketransformationofcertainparts,installingeconomicnumericalcontroldeviceorstandardcomputernumericalcontrolsystem,thusmakingthecommonlathewithNCmachiningability.Afternumericalcontrolinnovationthelathespossesshighdegreeofautomation,goodprofessionalability,highmachiningaccuracyandproductivity;adapttothemulti-species,middleandsmallbatchproduction;lowNCreconstructionexpensesandgoodeconomicalefficiency,whichcanplaytheoriginalfunctionandreformmachinenewfunction,andimprovetheusevalueofmachine.NCinnovationcanmeetproductionneedswithshorttransformationperiod.TaketheCA6140latheasanexample,inthispapertoprocessnumericalcontrolinnovationdesignofcommonlathes.Themainresearchcontentsareasfollows:
茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
Analysisthestructure,componentandfunctionofthecommonlathes,andidentifythenumericalcontrolinnovationschemeofcommonlathesanddoeconomydemonstration.Accordingtothecommonlatheprocessingability,designpartialreconstructionofthelathespindlebox,andgivebriefillustration.Accordingtothemechanicalandelectricaldesignprinciple,andthemachinefeedingsystemrequirement,makingcalculationofcuttingforce,andchooseappropriateballscrewandassemblydesign.Designchoiceballscrewsupportingmodeandtochoosecorrespondingbearings,steppingmotor.Makingselectionofdesignautomaticrotarytoolpostandcorrespondingcheckingcalculate.Accordingtothepropertiesandtransformationofprecisionindextoselectsuitablenumericalcontroldevicesystem.Giveinstallationanddebuggingmethodofcommonlathesnumericalcontrolinnovation.鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
Keywords:
commonlatheNCreformfeedingsystemtoolpost籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
1前言
数控车床作为机电液气一体化的典型产品,是现代机械制造业中不可缺少的加工设备,在机械制造业中发挥着重要的作用,能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题,且产品加工质量稳定,生产效率较高。
企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
目前,采用先进的数控车床,已成为我国制造技术发展的总趋势。
购买新的数控车床是提高车床数控化率的主要途径,但是成本太高,很多中小企业在短时间内无法筹集大量资金;同时目前大多数企业还有数量众多,而且还具有较长使用寿命的普通车床,由于普通车床加工精度相对较低、不能批量生产,生产的自动化程度不高,生产自适应性差,但考虑投资成本,产业的连续性和转型周期,又不能马上淘汰。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
为了获得数控车床,企业可以应用成熟的数控技术理论,以低廉的成本对普通旧车床进行数控化改造,可以恢复甚至提高原车床的精度,大大提高了车床加工的自动化水平,适应工业高速跨越式发展的要求。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
我们以CA6140车床为例,对普通车床进行数控化改造设计分析。
对普通车床进行数控改造是提高我国车床产量数控化率的重要途径之一。
通过普通车床的数控化改造,投入较少的资金但能达到经济型数控车床的使用效果,其社会意义和经济效益是不可估量的。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
1.1课题产生
普通车床的数控化改造使原车床具有数控加工能力,改造后的车床自动化程度高,专业性强,加工精度及生产率高;在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可调整性,适应多品种、中小批量生产;数控改造费用低,经济性好;能发挥机床原有功能和改造后的新增功能,提高机床的使用价值;数控改造周期短,可满足生产急需。
具体来讲,其改造优点如下:
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
1)从提高资本效率出发,改造闲置的普通车床,能发挥旧机床的原有功能和改造后的新功能,提高普通车床的使用价值。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
2)数控改造费用低,减少了投资额,经济性好。
3)适合于多品种、中小批量产品的的自动化加工,对产品的适应性强。
对不同零件的加工,可以通过变换不同的加工程序和更换不同的加工刀具来实现。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
4)提高产品质量,降低废品率。
尤其是加工的产品尺寸一致性好,合格率高。
5)机械性能稳定可靠,改造所利用的普通车床床身是重而坚固的铸造构件,而不是焊接构件,改造后的机床性能高、质量好,可以作为新设备继续使用多年。
而数控化改造是原有的机械结构更为简单,在减少传动链对精度影响的同时,降低了机械的故障率。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
6)可充分利用现有的条件。
可充分利用现有地基,不需要重新构筑地基。
7)增加了功能,如圆弧加工、锥度加工,甚至更复杂轮廓的加工,这是传统加工方法难以实现的。
8)交货周期短,可满足生产急需。
普通车床数控化改造,更换或修理磨损零件,调试大型基础零件,提高车床的精度,同时舍弃原有的进给系统,用新的数控系统驱动步进电机带动滚珠丝杠来替代。
改造总费用由机械维修更新和增加的数控系统两部分组成。
若车床的数控化改造的总费用仅为同类型车床价格的50%~60%时,该车床数控化改造在经济上适宜。
经过考查,若购买同样配置的全新数控车床约需10万元,而车床数控改造的总费用为5.1万元,仅占51%,因此车床数控化改造在经济上是合适的。
同时,增加新的数控系统及相应的机械装置大大提高了车床加工的精度和加工效率,在投资少的情况下,既满足了加工的需要,又提了高车床的自动化程度,对我国这样的一个机床大国是非常重要的[1]。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
1.2普通车床数控化改造研究现状
1990年,我国车床产量数控化率2.24%,2000年上升为7.96%,2005年车床产量的数控化率达到了13.23%的较高水平。
数控车床可以较好地解决形状复杂、精密、小批及多变零件的加工问题。
能够稳定加工质量和提高生产率,但数控车床的应用也受到其他一些条件的限制。
数控车床价格较昂贵,对于中小企业一次性投资购买大量数控车床是非常困难的,同时各企业有大量的普通车床,完全用数控车床替换根本不可能。
提高车床数控化率的重要途径之一,就是将现有的普通车床改造成数控车床。
许多企业一面购置数控车床一面利用数控、数显、PC技术改造普通车床,并取得了良好的经济效益。
低成本的普通车床数控化改造是一项适合我国实际改造情况的先进适用技术[2]。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
1.3普通车床数控化改造经济分析
根据对市场的调研,目前新经济型数控车床,售价8.5万/台,普通新车床CA6140,售价3.8万/台,使用寿命8~10年,而已使用了6~8年的旧车床CA6140,估价O.5万/台,通过改造还可使用4~6年。
普通车床CA6140每台数控化改造所需价格大约3万,数控加工的生产率可提高20~30%。
因此需要对普通车床的数控化改造进行经济性分析[3]。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
设备现代化改造是广义设备更新的一种方式,因此,研究现代化改造的经济性与设备更新的其他方式相比较。
一般情况下,与现代化改造并存的可行方案有:
继续使用旧设备、旧设备大修理、原型设备更换和更新新设备。
决策的任务就是要在各种可行方案中选择设备使用总成本最小的方案。
各种方案的设备使用总成本,根据《机械工程手册》的“经济性分析”,对于普通车床使用各方案投资成本及生产率以及各年使用成本见表1-1所示。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
由以上计算结果,比较各项更新方案中使用总成本最小者为优。
如果设备只使用3年,以继续使用原设备方案为最佳;如果使用4~6年,则对原设备进行大修理的方案为佳;如果设备使用6年以上到8年,则最佳方案是将原旧机床改装为数控化机床;如果使用9年以上,则可更将普通机床更换为全新数控机床为最佳方案。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
因此通过以上经济性评价,对使用6~8年的普通车床,将其改造为数控化车床,是比较经济可行的。
表1-1各种更新方案的投资和各年使用费用(万元)
序号
可行方案
基本投资
劳动生产率系数
各年使用费用
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
旧车床继续使用
0
0.7
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
2
2.25
2
更换为全新普通车床
3.5
1
0.03
0.07
0.11
0.15
0.19
0.23
0.27
0.31
0.35
3
更换为全新数控车床
6.5
6.5
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
4
改装为数控车床
3.2
1.2
0.1
0.18
0.26
0.34
0.42
0.5
0.58
0.66
0.74
5
旧车床大修理
1.8
0.9
0.1
0.19
0.28
0.37
0.46
0.55
0.64
0.73
0.82
将上表中的数据代入各方案计算公式得到各方案逐年使用成本见表1-2。
表1-2各方案逐年设备使用总成本汇总表(万元)
年
份
方
案
1
2
3
4
5
6
7
8
9
旧车床继续
使用
0.33
0.94
1.79
2.84
4.06
5.41
6.87
8.41
10.02
更换为全新
普通车床
3.59
3.60
3.68
3.79
3.91
4.06
4.22
4.38
4.56
更换为全新
数控车床
4.07
4.10
4.13
4.16
4.20
4.25
4.30
4.36
4.41
改装为数控
车床
2.74
2.87
3.04
3.25
3.49
3.75
4.04
4.33
4.64
旧车床
大修理
2.10
2.28
2.53
2.83
3.18
3.57
3.98
4.42
4.87
2普通车床数控化改造方案
2.1改造方案设计
对于普通车床的经济型数控化改造,在确定总体设计方案时,应考虑在满足设计要求的前提下,对车床的改动应尽可能少,以降低成本。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
(1)数控系统运动方式的设计数控系统按运动方式可分为点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。
由于要求普通车床能加工复杂轮廓零件,所以选用数控系统要能实现两轴联动连续控制。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
(2)伺服进给系统的改造设计数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。
因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。
所以,本设计决定采用开环控制系统。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
(3)机械进给系统及刀架改造设计车床纵、横两个方向的进给运动控制,通常由步进驱动器控制的步进电机带动滚珠丝杠来实现,并由数控系统控制实现两个方向的进给运动的联动。
刀架能在换刀点自动改变四个刀位完成换刀功能,刀架旋转和换刀是通过数控系统内置的可编程控制器控制三相异步电机来实现。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
2.2改造内容及要求
数控车床主要用于轴类盘类零件的加工,能自动完成外圆柱面、内孔、锥面、圆弧面、螺纹等工序的粗细加工,并能在圆柱面或端面上进行铣槽、钻孔、铰孔等工作,可以实现回转体零件在预先加工好定位基面后,一次装夹下完成从毛坯到成品的全部工序。
因此,能够极大地提高生产率。
本课题研究是以CA6140车床为例,普通车床主要用于对小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
1)车床的结构改造要求主轴仍采用原有的变速系统,主轴箱内拆除与进给箱相连的齿轮,进给系统由步进电动机驱动。
主轴和进给系统结构得到简化,传动刚度也大为提高。
主轴后端安装了同步运转的脉冲编码器,用于加工螺纹时实现进给与主轴转速的同步。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
2)数控车床的布局要求结构要紧凑以节省占地面积和空间,并采用全封闭或防护装置。
3)床身的结构布局要求床身是车床主要承载部件,本改造采用原有的平床身,因为平床身是在普通车床上稍加改造而成的,价格相对较低,而目它的工艺性好,加工方便,并且刀架处于水平位置,易于保证刀具运动精度。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
4)车床的进给系统改造要求进给调速范围大、定位准确、无间隙误差、有较高的传动效率。
所以,为满足低摩擦要求,选用滚珠丝杠、螺母传动副做传动和导向元件,可以直接选用减速步进电机,以缩小传动链,提高系统刚度,并减少传动链误差。
滚珠丝杠、步进电机之间采用联轴器连接。
选用两步进电机分别驱动纵向和横向的滚珠丝杠以实现进给运动。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
5)刀架系统要求采用电动四方刀架,可使机械结构简单,省去大量液压管路。
6)数控系统要求采用开环控制系统,系统中没有反馈电路,不带检测装置,指令信号单方向传递。
开环控制系统结构简单,成本低廉、易掌握,调试和维护比较方便简单,己广泛应用于一些数控车床。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
2.3改造方案确定
本设计属于经济型数控化改造,基本原则是在满足使用要求的前提下,对车床的改动尽可能少。
总体设计改造方案为:
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
(1)车床主轴正、反转和主轴变速,在主轴的尾部安装脉冲发生器将转速信息传给计算机系统。
(2)车床纵、横两个方向的进给运动控制,通常由步进驱动器控制的步进电机带动滚珠丝杠来实现,由数控系统控制要实现两个方向的进给运动的联动。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
(3)刀架能在换刀点自动改变四个刀位完成换刀功能。
刀架旋转和换刀是通过数控系统内置的可编程控制器控制三相异步电动机来实现。
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
(4)数控系统选用南京菁华数控工程有限公司生产的JWK-15T数控系统。
(5)驱动系统的选择:
主轴驱动系统采用原有电动机驱动,进给驱动系统可以采用步进驱动器和步进电机。
铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
纵向进给机构的的具体改造方案:
拆除原机床的进给箱、溜板箱、传动丝杠、光杠和操纵杠,利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱和电机。
综合考虑机床性能及经济性要求,选用开环控制的步进电机作为纵向进给运动的动力源。
步进电动机通过减速装置与滚珠丝杠相连实现机床的进给运动。
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
横向进给机构的具体改造方案:
同纵向进给系统改造相似,采用步进电机带动滚珠丝杠结构,原有的支撑结构保留,步进电机安装在中拖板的后侧。
趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
此外,普通车床改装后即变成经济型数控车床,其工作时要求刀架能自动换位。
本设计自动回转刀架采用电动四方刀架,且要求选取的自动回转刀架必须具有良好的强度和刚度,以承受粗加工的切削力,同时保证回转刀架每次转位的重复定位精度[4]。
夹覡闾辁駁档驀迁锬減。
综上,对纵向、横向进给系统及刀架的改造设计方案如图2.1所示。
图2.1车床总体改造方案
2.4数控化改造步骤
1)对加工对象进行工艺分析。
确定工艺方案加工对象是机床改造的依据,不同工件和技术要求其加工方法不同,一般是在分析零件基础绘制工序图,初步选定切削用量、刀具运动路线,估算生产效率,计算切削力、切削功率,从而计算出进给系统需要的功率和力矩,作为选择主轴及进给系统的依据。
视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。
2)分析被改造机床,确定改造类型。
改造机床是围绕机床本身系统加以改进,即考虑原有结构的改进,又考虑附件的改进,根据对原机床的技术规格、技术参数、各部分尺寸的分析,改造后车床为经济型数控车床,主轴转速及最大加工件尺寸和加工螺纹功能不变。
偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
3)准备工作就绪后,即可进入改造的实施阶段。
4)验收工作。
改造的后期工作也很重要,验收工作应按已制定的验收标准进行,主要包括机床机械性能的验收,电气控制功能和控制精度的验收,试件切削验收。
緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。
3传动及进给系统改造设计
3.1设计参数
对CA6140机床,最大加工直径:
床面上φ400mm,床鞍上φ210mm;最大加工长度:
750mm;溜板及刀架重力:
纵向800N,横向600N;刀架快速移动速度:
纵向24m/min,横向12m/min;最大进给速度:
纵向3m/min,横向1.5m/min;主电动机功率:
7.5kW;起动加速时间:
30ms。
根据机床精度要求确定脉冲当量,纵向:
0.01mm/步;横向:
0.005mm/步。
騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。
3.2传动部分改造设计
对普通车床进行数控改造时,一般可保留原有的主传动系统和变速操纵机构。
这样既保留了车床的原有功能,又减小了改造量。
疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。
经济型数控车床上加工螺纹或丝杠,需要配置主轴脉冲发生器作为车床主轴信号的反馈元件,其与车床主轴同步转动,发出主轴转角位置变化信号,输送到数控系统。
主轴脉冲发生器的安装,通常有两种方式:
一是同轴安装,二是异轴安装。
脉冲发生器属精密光学元件,安装时应格外小心,避免损坏光栅盘。
因主轴直径较大且其结构复杂,常采用异轴安装。
通常在加工螺纹时将其安装,不使用时将其断开,避免不必要的磨损和信号干扰,延长主轴脉冲发生器的使用寿命。
镞锊过润启婭澗骆讕瀘。
由于增量式脉冲编码器结构简单、价格低、精度易
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- 普通 车床 数控 改造 进给 系统 刀架 设计 毕业设计 说明书