普通车床数控化系统改造方案.docx

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普通车床数控化系统改造方案

西飞工学院

毕业设计说明书

题目：

CW61100普通车床数控化改造Z向

专业：

数控技术

班级：

07107004

学生：

耿召

指导教师：

年月日

CW61100普通车床改造的原因…………………………………………………

（2）

改造方案的确定……………………………………………………………………

（2）

机械部分改造………………………………………………………………………（3）

安装调整过程中应注意的问题……………………………………………………（6）

数控系统与伺服系统的改造………………………………………………………（7）

功能的确定与分布…………………………………………………………………（9）

机床的调试与验收…………………………………………………………………（9）

改造后取得的效果…………………………………………………………………（11）

设计小结……………………………………………………………………………（11）

参考资料……………………………………………………………………………（12）

一、CW61100普通车床改造的原因

数控机床与普通机床相比较的特点：

1、能完成很多普通机床难以加工、或者根本不能加工的复杂型面零件的加工。

2、采用数控机床，可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量。

3、可以提高生产率，采用数控机床比普通机床可提高生产率2～3倍，对复杂零件的加工，生产率可提高十几倍甚至几十倍。

4、具有柔性，只需更换程序，就可适应不同品种与尺寸规格零件的自动加工。

5、大大减轻了工人的劳动强度。

可以看出，数控机床是一种高效率、高精度、能保证加工质量，解决工艺难题，而且又具有一定柔性的生产设备。

数控机床的广泛使用，将给机械制造业的生产方式、产品结构和产业结构带来深刻的变化，其技术水平高低和拥有量的多少，是衡量一个国家工业现代水平的重要标志。

CW61100普通车床是我国机床厂1974年生产的大型车床，在车辆厂已使用近30年。

主要用于加工机车轮毂的外圆、端面、多曲率圆弧处，由于该设备使用近30年，机械精度已严重下降，加之多情曲率圆弧处的加工质量要靠样板修整来保证，工人的劳动强度大，已难以保证产品的加工质量。

随着新机车的发展，对机车轮毂的要求越来越高，多曲率圆弧处的曲率变化也越来越多。

先使用的普通车床已无法满足生产加工要求，必须更新设备，经多方面比较、认为对CW61100普通车床进行数控化改造比重新购买新设备可节约资金近10万元。

因此决定对CW61100普通车床进行数控化改造，以满足新型机车轮毂的加工要求。

二、改造方案的确定

1、新型机车轮毂的外形特点与加工要求：

新型机车轮毂的外形有多曲率圆弧处、外圆和端面与倒角做、组成，并且多曲率变化圆弧处加工精度要求高，加工难点主要是多曲率变化圆弧处；因此要求该设备改造后，该设备的Z向必须具有联动功能，由于该零件较大、重约500KG，因此对主轴转速要求不高，要求主轴以一定的转速旋转固定不变。

2、数控化改造方案的确定

数控化改造方案的容：

系统运动方式的确定；数控控制系统的选择；伺服系统的选择；执行机构的结构；机械传动方式确定与机械精度的修复等容。

应根据设计任务和要求进行调研，查阅技术资料，提出该造的总体方案，并对方案进行分析比较和论证。

①控制系统的选择

根据新型机车轮毂的外型特点与加工要求，经对西门子数控系统比较，确定选择西门子802C控制系统，对该设备的Z向进行控制；并实现Z向的联动。

②伺服系统的选择

根据改造后该设备加工零件的精度要求，确定选择编码器半闭环控制系统。

③执行机构的结构的选择

执行机构的结构选择西门子伺服控制电机。

④机械传动方式的确定

机械传动方式采用滚珠丝杠副加一级同步带减速装置进行运动和力的传递。

⑤机械精度的修复

机械精度的修复主要指Z向导轨精度的修复。

三、机械部分改造

1、Z向进给机构的改造。

拆除原机床的进给箱，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装滚珠丝杠丝母固定支撑架。

滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端采用固定方式支撑，中间加辅助支撑，以提高滚珠丝杠的刚性。

动力传动采用伺服控制电机加同步带减速装置传递给滚珠丝杠副，实现Z向进给运动。

伺服电机安装在机床的尾部。

由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使Z向进给整体刚性略优于未改造前。

2、电动刀架的安装

利用原小刀架位置通过垫板安装电动机刀架，以保证刀具刀点和主轴中心处于同一平面。

3、机械部分改造设计部分与相关计算

（1）Z坐标传动最快运行速度Vmax计算：

电机最快转速：

r=2000转/min

传动减速比：

n=3

滚珠丝杠螺距：

p=10mm

根据公式：

Vmax=r×p/n

得Vmax=2000×10×O.OO1/3

=6.67m/min

由于X向滚珠丝杠螺距为5mm，故Z轴最大进给速度为6.67m/min；

（2）负载转动惯量的估算：

由于Z坐标的传动减速比都是n=3；所以折算到电机轴上的转动惯量可按下式估算:

JF=J1+J2+J3+JK

JF——折算到电机轴上的转动惯量（kg·cm2）

J1——联轴节的转动惯量（kg·cm2）

J2——丝杠的转动惯量（kg·cm2）

J3——联轴节的转动惯量（kg·cm2）

n——减速比（n=3）

JK——Z向电机转子的转动惯量（kg·cm2）

对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式进行计算：

J=7.8×10-4×D4L

D——圆柱零件的直径（cm）

L——零件轴向长度（cm）

通过计算得：

J1=1.16kg.cm2

J2=43.41kg.cm2

J3=2.78kg.cm2

JK=6.68kg.cm2

故总惯量

JF=54.03kg.cm2

（3）切削力与切削功率计算

利用下面公式：

切削功率Pc=P·η·K

P——电机功率18KW

η——传动效率0.8

K——功率系数0.96

计算切削功率得：

Pc=13.824KW

（4）Z向摩擦阻力的估算

Z向运动部件自重约：

400kg

Z向运动部件之间摩擦系数（铸铁对铸铁）：

0.18

Z向摩擦阻力；FMZ=4000×0.18=720N

（5）切削功率的计算

切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力（或扭矩）和最大切削速度（或转速）来计算，即

Pc=（FZ×v×10-3）/60

或Pc=Tn/9550

式中FZ——主切削力（N）；

v——切削速度（m/min）；

T——切削转矩（Nm）；

N——主轴转速（r/min）。

取v=400m/min

FQ=60×Pc×103/v=60×13.824×103/400=2073.6N

在一般外圆车削时取Z向分力为:

FZQ=0.6FQ=1244.16N

（6）Z向坐标运动时的工作阻力

Z向坐标运动时的工作阻力：

FZ=FMZ+FZQ=720+1244.16=1964.16N

（7）电机扭矩的计算

根据公式Pc=60×Pc×103/v和Pc=Tn/9550

得T=9550×FZ×v×10-3/（60n）=12.613Nm

选18Nm电机适合。

四、安装调整过程中应注意的问题

1、利用垫片调整丝杠副的间隙时，应使调整后产生的预紧力为丝杠副最大负载的1/3为宜。

在实际调整中，可以把车床处于最大工作负载，使丝杠部仍不产生轴向窜动，或者轴向窜动量小于0.02mm，而且运动灵活，并以此作为丝母间隙调整装置预紧量的判断标准。

2、调整向心推力球轴承的间隙时，应使丝杠的轴向窜动不大于0.02mm。

在实际调整中，可以调整两个向心推力球轴承之间的外隔环的厚度来调整轴承的游隙，进而消除丝杠的轴向窜动，已达到更高的传动精度。

由于轴承安装的好坏与否，将影响到轴承的精度、寿命和性能。

因此应按如下操作标准进行轴承安装：

（1）、清洗轴承与相关零件。

对已经脂润滑的轴承与双侧具有油封或防尘盖、密封圈的轴承安装前无需清洗。

（2）、检查相关零件的尺寸与精加工情况。

（3）、安装方法：

轴承的安装应根据轴承结构、尺寸大小和轴承部件的配合性质而定，压力应直接加在紧配合的套圈端面上，不得通过滚动体传递压力，轴承安装一般采用以下几种方法：

①、压入配合：

轴承圈与轴是紧配合，外圈与轴承座孔是较松配合时，可用压力机将轴承先压将在轴上，然后将轴连同轴承一起装入轴承座孔。

②、加热配合：

通过加热轴承或轴承座，利用热膨胀将紧配合转变为松配合的安装方法。

是一种常用和省力的安装方法。

此法适合于过盈量较大的轴承的安装。

③、圆锥孔轴承的安装：

圆锥孔轴承可以直接装在有锥度的轴颈上，或装在紧定套和退卸套的锥面上，其配合的松紧程度可用轴承径向游隙减小量来衡量。

因此，安装前应测量轴承径向游隙，安装过程中应经常测量游隙以达到所需要的游隙减小量为止。

安装时一般采用锁紧螺母安装，也可采用加热安装的方法。

④、推力轴承的安装：

推力轴承的轴圈与轴的配合一般为过渡配合，座圈与轴承座孔的配合一般为间隙配合，因此这种轴承较易安装，双向推力轴承的中轴圈应在轴上固定，以防止相对于轴转动。

3、滚珠丝杠副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂，都是由专业工厂按系列化进行生产的。

因此，在进行设备改造时，要按厂家的生产标准进行选择。

选择到合适的丝杠后，再决定被改造设备的其他相关部分的结构和尺寸。

五、数控系统与伺服系统的改造

CW61100车床主轴电机采用原来的主轴电机，并采用微机控制其启动和停止。

对机床X轴进行伺服驱动，数控自动控制。

机床改造后X轴采用半闭环调速控制，控制比较精确。

1、整个改造工作的流程

（1）改造方案的总体设计，数控系统选型、订购。

（2）系统柜设计制作。

（3）数控系统和电气系用柜安装到位。

（4）数控系统和电气系统连线，以与和机床，机床系统柜的连线。

（5）电机与限位开关，润滑油泵电机，主轴电机，冷却液泵电机，照明工作灯与系统连接。

（6）电机和机床连接盖板的设计。

（7）梯形图编写，机床参数确定。

（8）调试，并试切验收零件。

（9）文件整理、交接。

其中改造方案的总体设计有以下原则：

①、功能改造后的数控机床应具有何种功能。

目前市场上可购置的数控系统基本上可以满足用户的绝大部分功能需要。

但有些特殊功能仍需要在订货时加以声明，例如数字仿形功能、自动测试功能等。

并以功能需求出发来订购数控系统和伺服系统。

②、规模根据实际要求确定改造档次。

一般进口设备仍用进口数控系统改造；国产设备仍用国产数控系统改造。

根据功能确定I/O点数。

根据经常存储的零件加工程序的数量确定存储器的容量。

根据机床大小、进给速度、吃刀量来确定电机功率。

③、资金投入时应考虑投入产出的比例以与周期

④、精度改造前机床的精度应有一定的要求，精度太低就没有必要改造，可考虑更新。

⑤、习惯制定改造方案时应考虑改造前后操作、编程的可继承性，对面板的设计和屏幕的位置要考虑操作者的习惯。

对数控系统品牌的选择要考虑使用单位的一致性，以达到培训、维护等方面的便利。

经过上述诸方面因素综合考虑，才能制定出改造的总体方案。

数控改造班子一般以4-5人为宜。

分别涉与机械改造、电气布线、PLC编程等主要领域。

最好有使用人员的配合。

改造班子里最好有一名专家，从总体规划、选型、订货、资料准备（翻译）、布线、PLC编程、机械改造、调试、验收以指导工作结束做出安排，并协调各个方面的工作，这样往往可以缩短改造周期，并保证工程质量。

2、机电匹配计算

机电匹配计算是总体设计，在选型订货前首先应考虑的问题。

有些情况当然可以根据旧机床的