c5225立式车床的数控化改造毕业设计

c5225立式车床的数控化改造毕业设计内容摘要：

，调速性能更稳定一些原因很简单，直流调速的电枢和励磁不是耦合的，是分开的，这样对电枢电流和励磁电流能够做到精确控制。 而交流调速，电枢电流和励磁电流是耦合的，是无法就是仿真直流调速的原理。 但是要做到直流调速的控制特性目前是很困难的。 立车为大功率、大转矩 加工机床，若主轴采用交流变频调速为保证低速时的 运行稳定性和加工精度，需采用专用变频电机和大功率变频器，相对直流调速反 而成本较高，经济不合算。 对于 55kW的主轴控制采用交流变频调速成本在 7～ 8 万元，而采用直流数字化调速成本在 5万元左右。 再考虑到直流调速的优点，本 次改造我们选用了直流电机和英国欧陆 590+直流数字化调速系统。 二、主轴电气控制方案的选择 主轴电气控制方案有三种：一是保留原继电器电气控制系统不变；二是由数 控系统来控制主轴的工作；三是将继电器电气控制系统进行 PLC控制改造。 第一 . . 种方案虽然 成本低，但是机床工作十几年后，电气系统已老化，故障几率高，工 作不稳定，而且排故困难。 若更换新的继电器电气控制系统控制柜内部的安装、 接线工作量极大，改造的工期长，费用高，而且控制方式相对落后。 第二种方案 将主轴电气进行数控化改造，通过程序便可控制主轴的速度，性能先进，而且可 充分利用数控装置的控制功能。 但是对于只对一个刀架进行数控化改造的情况还 要考虑到横梁和常规刀架的工作。 若主轴控制数控化，当数控系统发生故障时， 主轴无法工作，常规刀架也就无法进行常规加工。 第三种方案将主轴电气进行 PLC 改造，有以下好 处： 可靠性高，硬接线少， PLC具有掉电保护、监控、报警、故障检测等功能， 能够及时发现和排除故障。 柔性好，采用程序控制方式， PLC模块式结构具有扩展的灵活性。 功能强大，使用方便。 可以同时将横梁和常规刀架进行 PLC改造，不仅可以降低机床改造的成 本，同时可以简化机床电气控制线路，提高机床的工作性能。 综合以上分析本次改造主轴电气控制方案为 PLC控制，保留主轴的手动加工 操作功能。 在对主轴 PLC改造的同时将横梁和常规刀架进行 PLC改造，采用日本三菱 FX2N80MR PLC来进行控制。 三、主轴传动系统的改造方案 由于数控机床主运动的调速范围较宽，一般情况下单靠调速电动机无法满 足；另一方面调速电机的功率和转矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求完 全匹配。 因此，需要在无级调速时机之后串联机械分级变速传动，以满足调速范 围和功率、转矩特性的要求。 考虑到改造的成本和加工需要，将原来四轴 16级变速的机械有级主轴传动 改造为采用全数字直流调速装置进行无级调速的直流主轴电机串联二轴 4级变速 的主轴传动。 刀架改造方案的选择 常用的方法有两种：一是左右两个刀架都进行数控化改造， 二是只对其中一 个刀架进行数控化改造。 左右两个刀架都进行数控化改造这种改造方案成本较高，改造的工作量大， 改造的周期相对要长些，而且改造以后两个刀架的数控功能未必能得到充分的发 挥，普通刀架的功能优势又被丧失。 所以立车数控化改造采用对左右两个刀架都 进行数控化改造的情况较少。 只对其中一个刀架进行数控化改造这种改造方案成本相对较低，改造的工作 量相对较少，改造周期短。 数控刀架可进行数控加工，可以完成复杂曲面零件的 加工，可满足在不断开发新产品时，实现多品种、单件和小批量生产的要求。 普 通刀架保留手动加工操 作功能，作常规加工之用，能保证以往产品的加工工艺路 线不致有较大变化，符合传统生产习惯。 在加工安排上可以合理安排两个刀架的 使用，使性能得到充分发挥。 刀架数控化机床的机械部分要相应地做改动，需将原来的普通 T形丝杠替换 为滚珠丝杠并更换减速箱。 滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在 90％以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。 因此可满足较高精度零件加工要求。 对于大型机床，由于刀架比较重，惯性大，若采用伺服电机直接与丝杆相连，伺服系统的驱动功率要求很大。 虽然这样可以. . 提高进给 速度，但系统的成本将会非常高。 对于大型回转体加工，进给速度一般要求比较低，因此，机床进给轴采用一定速比的机械降速传动，以降低进给轴伺服电机驱动力矩的要求，从而降低改造成本。 综合以上分析本次刀架改造方案为：对左刀架进行数控化改造，将原来的 T 形丝杠替换为滚珠丝杠；除去左刀架减速箱，将原有的齿轮传动系统改造为一对 减速齿轮，右刀架原机械结构和操作功能保留不变。 本文研究的主要内容 设计、制造各类用途的数控机床是提高我国机床数控化率途径之一，而对现 有机床进行有目的的、有针对性的数控化开发，更是一条多、 快、好、省的，符 合我国国情和产业政策的重要途径。 本文根据 C5225立式车床的功能特点，结构 以及用户的要求对 C5225立式车床的数控改造进行了较为详细的论述，具体内容 如下： 主传动系统的直流数字化调速改造。 主要是直流电机的功率计算和型号 选择、主传动传动路线与变速液压系统电磁铁工作状态的调整以及直流调速器控 制电路、 PLC控制程序的设计。 进给系统的数控化改造。 主要是伺服进给系统控制方式的选择、进给系 统机械部分改造方案的确定；滚珠丝杠副及伺服电机的参数计算与选用； X轴和 z 轴滚珠丝杠副零件图的 设计。 C5225立式车床数控电气控制系统的设计。 主要是数控电气控制系统的组 成及连接、数控系统中的 PLC程序设计及调试、数控系统的调试步骤及系统基本 参数的设定。 结论。 机床改造后扩大了机床的加工范围，提高了生产效率和加工精度， 机床的可操作性和可维修性得到提高，并节省下购买大型数控机床的大笔投资。 本次改造的成功也为今后的机床改造工作积累了经验。 数控机床在加工精度、自动化程度、生产效率、劳动强度等诸方面都有普通 机床无法比拟的优势，但购买新的数控机床特别是大型数控机床费用很高。 机床 数控化改造不仅实用性能良好、周期短，而且可以节约大量资金。 通过对 C5225 立式车床的数控化改造，可以加工原来无法加工的具有复杂曲面的零件，节约工 装费用，降低生产成本。 在本章节主要介绍了机床数控化改造的必然性及国内外 机床数控化改造的现状；介绍了 C5225立式车床存在的不足及改造的目的意义； 介绍了 C5225立式车床数控化改造方案的确定及可行性分析；最后介绍了本次改 造的主要内容。 . . 第二章 C5225立式车床主传动变速系统的改造 主传动系统是用来实现机床主运动的传动 系统，它应具有一定的转速 (速度 ) 和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同 要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。 在数控机床的主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机 无级调速系统，可以大大简化机械机构，便于实现自动变速、连续变速和负载下 变速。 为扩大调速范围，适应低速大扭矩的要求，也经常应用齿轮有级调速和电 动机无级调速相结合的调速方式。 2． 1 C5225立式车床主传动系统概述 C5225立式车床主传动采用交流电机，液压变速 16级，采用停 车手工变档方 式，图 21是它的主传动系统简图。 其传动路线表达式是： . . 机床通过液压缸，活塞杆带动 I、 II和 VV双联滑移齿轮来获得不同的传递路线，重而获得 16级变速。 图 22为 C5225立式车床主传动系统的转速图。 机床变速机构的液压控制回路如图 23所示，转速与电磁铁工作状态的对应关系表如图 24所示。 . . . . 主轴电动机的确定 2． 2． 1调速方式的选择 无级变速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便得到最 有利的切 削速度；能在运转中变速，便于实现变速自动化；能在负载下变速，便于车削大 端面时保持恒定的切削速度，以提高生产效率和加工质量。 C5225立式车床主轴 变速为液压变速 16级，采用停车手工变档方式，比较费时繁琐，生产效率低，并 且影响加工精度。 本次机床改造将原手工变速改造为无级调速以利于提高生产效 率和加工质量。 机床上常用的无级变速机构为直流或交流调速电动机。 直流调速和交流调速 都属于变流调速，两种调速方式随着元器件的开发及电机技术的发展而发展，各 有千秋。 交流电机体积小，转动惯量小，动态响应快，没有 电刷，磨损和故障也 少，在中、小功率领域应用广泛。 缺点是交流电机通过变频在较低转速运行时， 运行稳定性较差，不利于提高零件的加工精度。 直流电机具有良好的启动、制动 性能和调速性能，可以方便地在很宽的范围内平滑调速，但尺寸大，价格高，炭 刷、换向器易磨损。 直流调速在控制力度和精度上比交流变频调速要好，在大功 率和低速工作场合，调速性能更稳定一些。 考虑到立车为大功率、大转矩加工机 床，常在低速下运行，故本次改造选择直流无级调速。 直流电动机的选择 机床主轴所传递的功率或转矩与转速之间的关系，称为机床主轴的功率或 转 矩特性，如图 2— 5所示，主轴从最高转速 nmax一到某一转速 nj问，能传递运动源的全部功率，在这个区域内，主轴的最大输出转矩应随转速的降低而加大，称之 图 25 功率转矩特性曲线 为恒功率区，从 nj 以下直到最低转速 nmin，这个区域内的各级转速并不传递全部功率。 主轴的输出转矩不再随转速的降低而加大，而是保持 nj 时的转矩不变。 所能传递的功率，则随转速的降低而降低。 nj 是主轴能传递全功率的最低转速，. . 称为主轴的计算转速。 C5225立式车床主轴的最高转速为 63r/min， 最低转速为 2r/min，则计算 转速 nj =nmin (minmaxnn ) =2x(63/2) =(r/min) 工作台在作旋转运动时 : Mn =9550tnN (31) 其中： Mn — 工作台的额定扭矩，已知工作台的最大扭矩 M=61740N． 111 ni — 工 作台传递功率的最低转速 (r/min) N 一传递额定扭矩所需的理论功率 (kW) 则： N= 9550jn nM  = 9550  =（ Kw） N = Nd   式中： Nd 一直流电机所需的功率 (kw)  一直流 电机至工作台的总传动效率，考虑到齿轮的传动效率，轴承的传动效率，以及工作台环形导轨的传动效率等因素，取  =0． 7。 则： Nd = N= =(kw) 为保证右刀架的常规加工及参考原交流电机功率，选择低速大扭矩直流电机：型号： z420031，额定功率 55kW，额定转速 1000r/min，最高转速 2020 r/min，电机转速工作范围 4001800r/min。 C5225立式车床主传动系统传动路线的改造 在改造主传动系统时，要考虑电动机与机床主轴功率特性的匹配问题。 由于 主轴要求的恒功率变速范围 Rnp 远大于电动机的恒功率变速范围 Rdp 却，所以电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其恒功率变速范围，以满足低速大转矩切削时对电动机的输出功率的要求。 C5225立式车床主轴的主轴最高转速为 63r/min，最低 转速为 2r/min，计算 转速为 r/min，直流电机额定转速为 1000 r/min，最高转速为 2020r/in。 主轴要求的恒功率变速范围 Rnp=63/= 电动机的恒功率变速范围 Rdp =2020/1000=2 . . 主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机所能提供的恒功率变速范围，故必须配以分级变速箱。 取变速箱的公比  = Rdp =2 则由于无级变速时 Rnp = 1zf Rdp = fz 故变速箱的变速级数 Z=flg Rlg np = = 取 Z=4。 如果重新设计变 速箱，除更换变速箱外，还需重新更换液压系统， 这样就会使改造周期变长，改造成本变高。 为减少改造的工作量，降低改造成本， 经计算和分析，可以保留原变速箱机构，将液压变速 16级改造为液压变速 4级， 转速图如图，传动路线如下： Ⅳ 档传动路线： 电机 Ⅰ — 4724 Ⅱ－ 4327 Ⅲ 3535 — Ⅳ — 6024 — Ⅴ — 2460 Ⅵ — 3220 Ⅵ — 13822 — 主轴 传动比 i =4724  4327  3535  6024  2460  3220  13822 = 当电机转速由 2020r/min降至 1000r/min(恒功率区 )，主轴转速由 64r/min降至 32r/min。 Ⅲ 档传动路线： 电机 Ⅰ — 4328 Ⅱ－ 4327 Ⅲ 5020 — Ⅳ — 6024 — Ⅴ — 24。