ca6132普通车床的数控化改造_毕业论文(编辑修改稿)

ca6132普通车床的数控化改造_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

实现无级变速。 以下是主传动系统的改造方案：拆除原车床的主轴电动机与主轴箱，用伺服电动机替换原有的三相异步电动机，所选的伺服电动机必须提供足够的切削力和切削功率。 通过已确定的数据计算主轴的结构、材料与尺寸，使主轴具有足够的刚度与精度。 通过带轮将伺服电动机与主轴进行定比联接，重新选择主轴部件的支承，如轴承。 并且重新设计主轴部件结构，从而降低主传动的噪音、共振及发热等问题。 为了使改造后的数控车床能自动加工螺纹，须配置主轴脉冲编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，其目的是用来检测主轴转角的位置，通过 主轴 — 脉冲编码器 — 数控系统 — 步进电机的信息转换系统，实现主轴转一转，刀架纵向移动一个导程的车螺纹运动。 主轴脉冲编码器的安装，通常采用两种方式：一种是同轴安装，另外一种是异轴安装。 同轴安装的结构简单，缺点是安装后不能加工穿入车床主轴孔的零件，限制了工件的加工长度，而异轴安装不会遇到这种问题，因此，异轴安装较合适。 进给传动系统的改造 数控车床的进给系统具有精度高、速度快和稳定性的特点并且还要有快速响应的特点，所以，拆除原来的手动操作装置，在远离操作者的床鞍与床身上安装伺服电动机，采用闭环控制系统， 在另一端安装光电脉冲编码器。 为了减小摩擦，拆除原来的传动原件改用滚珠丝杆传动以提高精度，稳定性和快速响应的特点。 用螺母连接工作台与丝杆，丝杆的旋转运动带动工作台移动。 通过双螺母预紧的方法可以调整滚珠丝杆副轴间的间隙。 为了使进给系统在低速时有很大的转矩，于是在步进电动机与滚珠丝杆之间用一级齿轮减速机构连接，滚珠丝杆的一段作为减速机构的输出轴。 齿轮副间同样存在着间隙，常见的消隙方法有刚性与柔性消隙。 车床进行横向进给时，由步进电机通过减速箱将动力传递给滚珠丝杠，再由滚珠丝杠带动螺母座，再通过螺母座带动中拖板做横向 运动。 滚珠丝杠螺母副成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 8 继续采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙。 纵向运动同样是这样。 图 21 横向传动结构图 刀架的改造 拆除原手动刀架和小拖板，安装由数控系统控制的四工位电动刀架。 根据车床的型号及主轴中心高度，选用常州市宏达机床数控设备厂生产的 LD4C6132型电动刀架，该刀架内带 120W 三相交流异步电动机用于驱动正转选刀。 内置的4 只霍尔元件检测刀位位置，电动机反转完成刀具定位锁紧。 图 22电动刀架安装实物图 成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 9 改造方案图 图 23 车床的改造方案路线 本章小结 本章通过将普通车床和数控车床进行参数对比，然后得出车床经过数控化改造后所能实现的技术参数。 然后根据机床要求设计出数控化改造的大概方案和路线。 成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 10 第 3章 主传动系统的数控化改造 现代机械加工正朝着高速、高效和高精度的方向发展，于是机床主轴系统必须具有更高的转速、更高的稳定性和更大的无级调速范围；不但在机械加工中能自动变速，而且机床结构要简单，噪声要小，动态性能要好，可靠性要高。 数控车床作为高度机电一体化设备，其传动系统的设计一般应满足如下的基本要求。 首先应满足机床的运动特性，如机 床的主轴有足够的转速和转速级数。 传动系统设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠。 主电机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。 主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形特性稳定。 此外，还要求主轴传动系统结构简单，便于调整和维修；工艺性好，便于加工和装配；防护性能好；使用寿命长 [3]。 主传动系统的传动方式 机床主传动系统可分为分级变速传动和无级变速传动。 与普通车床相比，数控车床的主传动通常采用交、直流主轴调速电动机，电动机调速范围 大，并可无级调速，使主轴箱结构大为简化。 为了适应不同的加工需要，数控车床的传动系统有以下三种传动方式。 主轴电动机与主轴通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机直接驱动。 主轴电动机经定比传动传递给主轴，定比传动可采用带传动或齿轮传动。 分档变速传动主要是为了解决主轴电动机的功率特性和机床主轴功率特性的匹配。 定比传动直接扩大了直接驱动的应用范围，即在一定程度上满足了主轴功率与转矩的要求，同时由于带传动结构简单、传动噪声小、振动小的特点 ，所以主传动方式选择定比传动方式，采用同步带轮传动 成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 11 主轴驱动与控制 数控车床的主轴驱动单元是车床的核心部件之一。 在加工过程中，主轴驱动为了维持恒定、最优的切削速度，必须相应于切削半径的变化连续的调速，以确保加工的稳定性和较高的生产率。 当加工部件的切削内外半径相差很大时，主轴速度变化将达到几倍，甚至几十倍。 不难看出，主轴驱动与进给驱动有很大的差别，它不但要求较高的速度精度、动态刚度，而且要求连续输出的高转矩的能力和非常宽的恒功率运行范围 随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已经不能满足要求。 现代数控 机床对主传动提出了更高的要求。 ，以保证切削时选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产效率、加工精度和表面质量。 ，需要主传动有较大的无级调速范围。 ，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率，即恒功率范围要宽。 ，要切主轴与进给驱动实行同步控制；在车削中心上，还要求主轴具有旋转进给轴和高精度的角度分度控制功能。 主轴电动机 过去数控机床多采用晶闸管主轴驱动系统，但 由于直流电动机受机械换向的影响，其使用和维护都比较麻烦，并且其恒功率调速范围小。 与直流电动机相比，交流电动机有以下几个优点： ，因此工作可靠，对维护和保养要求低 ，易于提高系统的快速性 由于数控机床的主轴系统不需要很高的动态性能和调速范围，主轴驱动一般选笼式异步电动机。 笼式异步电动机结构简单、便宜、可靠，配上矢量变换控制成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 12 的主轴驱动装置，完全可满足数控机床主轴的要求。 参考车床数控化改造后要达到的技术参数，主轴电动 机可以选择博美特 SM 15027020LFB交流伺服电动机，以下是该型电动机的主要参数： 功率（ kw） 额定转矩 （ ） 27 额定转速 （ Rpm） 2020 额定电流（ A） 转子惯量 （ kg. 2m ）  主轴 组件 主轴组件的性能要求 主轴组件式机床主要部件之一。 由于主轴组件直接承受切削力，转速范围又很大，因而数控机床的加工质量很大程度上靠它保证。 因此，数控机床设计时对主轴组将提出了很高的要求。 主轴组件的性能要求包括以下几个方面 : 主轴组件的精度包括旋转精度和运动精度。 指受外力时主轴组件抵抗变形的能力，又分为抗弯可抗扭两种刚度。 抗振性包括抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。 主轴组件在转动中，温升过高会引起两方面的不良后果：一是主轴组件和 箱体因热膨胀而变形；其次是轴承等元件会因温度过高而改变已经调好的间隙和破坏正常的润滑条件。 主轴组件必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度 [3]。 主轴 主轴是主轴组件的重要组成部分。 它的结构形状和尺寸、制造精度、材料及热处理，对主轴组件的工作性能都有很大的影响。 主轴的结构形状主要取决于轴上安装的零件、轴承、传动件、夹具等的类型、数目、位置、安装定位方式等，也考虑其工艺性要求。 选择主轴材料与热处理的方法，主要依据主轴部件的成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 13 工作条件及结构特点， 即应满足主轴对刚度、强度、耐磨性、精度等方面的具体要求。 主轴的精度直接影响到主轴部件的旋转精度。 主轴轴承 主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整和润滑都直接影响了主轴组件的工作性能。 主轴轴承的选用，主要是依据主轴部件的工作要求，如传递功率的大小、速度范围、工作精度，并考虑制造条件及其他经济技术指标，数控车床的主轴轴承可采用滚动轴承和滑动轴承，滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围内稳定的工作。 数 控车床的主轴多采用两支承形式。 两支承主轴的配置形式包括主轴轴承的类型、组合以及布置，主要根据对所设计主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求来选择。 主轴组件的计算 主轴的主要尺寸参数包括 :主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支撑跨距。 主轴外径越大，其刚度越大，但也使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。 轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也越大，要保证轴承的旋转精度就越困难，同时极限转速下降。 主轴后端支承轴颈的直径可视为 ，前、后轴颈的差 值越小则主轴的刚度越高，工艺性能越好。 主轴内径的大小主要受主轴刚度的制约。 主轴内径与外径之比，小于 ，空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当；等于 0,5时，空心主轴的刚度为实心主轴刚度的 90%；大于 ，空心主轴的刚度就急剧下降；一般可取其比值 左右。 前悬量 a是指主轴前支承反力的作用点到主轴前端受力作用点之间的距离。 小的前悬量对提高主轴组件的旋转精度、刚度和抗振性有显著效果。 因此，确定前悬量 a的原则是：在结构许可的条件下， a值越小越好。 主轴的跨距对于主轴组件 的性能有相当大的影响。 合理成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 14 选择跨距，是主轴组件设计中以一个相当重要的问题。 主轴主要参数计算：主轴前端直径 D1,主轴内径 d，主轴前悬量 a和主轴跨距 L。 由《实用机床设计手册》查得：当主轴电机功率为 D1=70105。 同时前轴颈直径大于后轴颈直径 D2。 车床 D2=()D1。 取 D1=100mm 取D2= 后端直径 D2==80mm。 主轴内径 maxd 取 d/D= d1==60mm 参考《实用机床设计手册》得：对于精密机床、自动化车床用滚动轴承支承、适用高精度和普通精度要求。 取去 a/D1=,取 a/D1= a=80mm 如果 a已定，则存在着一个最佳跨距 L0。 由《实用机床设计手册》的图 823可得到 η， KA/KB,L0/a之间的关系。 图 31  的计算线图 公式： η = 3/ aKEI A （ 31） 式中： I— 主轴截面的平均惯性矩， N mm； E— 主轴材料的弹性模量， N/ 2mm。 I= 64/)( 44 dD  （ 32）各种钢材的 E值均为  N/ 2mm。 主轴的前支承用双列圆柱滚子轴承 型号为 NN3000K,后支承采用背靠背α=25的角接触球轴承 型号为 7000AC。 由《实用机床设计手册》查得 AK 的估算公式为 AK =1700 由于后支承刚成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 15 度磁对主轴的刚度影响较小，估算时 BA KK/。 AK =1700 =1072627N/mm =3aKEIA=64801 0 7 2 6 2 7 )60100( 3 445   = 取 BA KK/ = 由图 823得 0L /a= 0L =336mm 具体设计时，常由于结构上的限制，实际 OLL ,这样就造成主轴部件的刚度损失，当 L/ 0L =，损失不大。 所以取 L= 0L = 300336 mm， 所以主轴的合理跨距为 300mm。 带传动设计 带传动是机床传动的主要形式之一。 随着机床朝高精度和高速方向不断发展，对带轮也提出了更高的要求。 带传动的工作原理是利用带与带轮之间的摩擦力带动带轮转动。 带传动具有结构简单，造价低廉，不需润滑以及缓冲、吸震等特点。 带传动的设计如图 32 所示。 图 32 带传动的设计路线 成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 16 带轮 设计带轮时，要避免铸造或焊接时产生过大的应力。 带轮质量应分布均匀，重量轻并便于制造。 带轮的面应精加工，以减少胶带的磨损。 当 v5m/s 时要进行静平衡，当 v25m/s 时要进行动平衡。 带轮材料应采用铸铁、铸钢、钢板、铝合金、工程塑料等。 当用非金属材料，如夹布胶水做材料时，它们有重量轻、与胶布的摩擦因数大的特点，但其强度较低，因此用于轻载、高速的场合。 带轮的设计路线如图 32所示。