最新版CA6132普通车床的数控化改造毕业设计.docx
《最新版CA6132普通车床的数控化改造毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新版CA6132普通车床的数控化改造毕业设计.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
最新版CA6132普通车床的数控化改造毕业设计
CA6132普通车床的数控化改造
作者：
班级：
指导老师：
摘要
随着现代科技和社会生产水平的不断提高，零件的精度要求越高，要求用于零件加工的机床有更高的精度和自动化。
考虑到机床的生产能力和成本问题，以旧车床为基础，通过数控化改造提高机床的占有率是一条节约资金而又快速有效的方法。
本文以CA6132作为研究对象，主要研究内容如下。
本文对CA6132普通车床的数控化改造进行了深入研究，包括对数控车床结构的分析、数控车床的改造方案、主传动系统的设计、主轴的形状结构的设计与计算、主电动机的选择、进给伺服电机的选用、滚珠丝杆的计算与选用。
根据机械、动力学原理，重新设计了车床的主传动系统，使车床实现变频无级调速。
结合车床工作条件加工质量，合理选择滚珠丝杆、齿轮和伺服电机。
通过以上的设计即可实现数控车床的改造，实现要求的技术参数。
关键词：
机床占有率数控化改造伺服电机主传动滚珠丝杆
NumericalcontrolinnovationofCA6132commonlathe
Abstract：
Withthecontinuousimprovementofmodernscienceandtechnologyandthelevelofsocialproduction,theofpartsprocessingandautomation.ConsideringMachinetoolproductioncapacityandcostintoconsideration,improvingmachinetoolˊsharebynumericalcontroltransformationisanefficientandquickway.
Inthispaper,theCA6132ordinarylathenumericalcontroltransformationwasstudied.Thatincludestheanalysisofthenumericalcontrollathestructure,theretrofitschemeofnumericalcontrollathe,themaindrivesystemdesign,theshapeofthespindlestructuredesignandcalculation,thechoiceofmainmotor,feedservomotorselection,calculationandselectionofballscrew.ThemaindrivesystemofmachinetoolwasredesignedAccordingtotheprincipleofmachineryanddynamics,makingmakesthelatherealizefrequencyconversionsteplessspeedregulation.Combinedlatheprocessingqualityofworkingconditions,choosetheballscrew,gear,andservomotor.DesignofCNClathecanberealizedthroughtheabovereform,realizingtechnicalparametersasrequired.
Keywords:
machinetoolˊsharenumericalcontroltransformationservomotor
第1章绪论
1.1数控技术与数控机床
数控技术，简称数控（NumericalControl——NC），是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。
由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（ComputerNumericalControl——CNC）。
采用了数控技术进行控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。
它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础，它很好地解决了形状结构复杂、精度要求高及小批量零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，降低工人劳动强度，大幅度提高生产效率。
机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。
与普通机床相比，数控机床能够自动换刀、自动变更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线的加工，加工精度和生产效率都比较高，因而应用日益广泛[2]。
1.2数控化改造的背景
随着国内外科技水平的不断发展，各行业对机械产品的性能和质量有了很高的要求。
同时产品的更新换代也在加快。
所以机床不仅仅要求有很高的生产率与精度，而且要能迅速适应产品的交换。
普通的机床已经不能满足生产的需要，从而催生了数控机床，加快了数控化改造的发展。
随着微电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速地发展起来。
尽管数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批量多品种零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率。
同时数控机床是实现柔性化、灵捷化、智能化和信息化加工制造的基本单元。
但是我国现有数控机床的占有率却不容乐观，我国机床总量约380万台，其中数控机床只有11万台，数控机床占有率不足3%，而一些发达国家已达到20%以上[1]。
逐步提高数控机床的占有率，已经成为我国制造技术发展的总趋势。
而提高数控机床占有率的方法有两种：
其一是通过增添新的数控机床，但是由于数控机床的价格昂贵，一次性投资大，并且很多企业还拥有大量的普通机床，所以考虑到资金与资源的利用，这种方法很难实施。
其二是对普通机床进行数控化改造，以此来提高普通机床的先进性与数控化，数控化改造费用低廉，经改造后的机床基本上能够达到机械产品的加工精度要求，所以数控化改造是一条可行的道路。
车床数控化改造研究是提高我国技术装备水平的重要项目，在我国目前拥有大量超期服役和技术陈旧的机床急待更新的情况下，由于数控车床的加工能力和资金受限，对车床进行数控化改造是一条节约资金、快速上马的有效途径。
利用现有卧式车床，通过数控化改造，使其成为一台高效、多功能的数控车床，是一种盘活资金的有效途径，也是低成本实现自动化的行之有效的方法。
因为一方面我国卧式车床保有量大，要将卧式车床淘汰掉是不经济、也不现实的做法；另一方面，从我国目前生产状况来看，仍然以生产卧式车床为主，卧式车床的数控化改造将会长期存在，并会不断的发展[2]。
1.3数控化改造的优点
经过数控化改造后的普通车床虽然达不到数控机床的标准，但相对普通车床而言，在很多方面都有了很大的提升，尤其是自动化控制与无级调速。
以下便是经过数控化改造后的车床的优势：
1）拥有数控车床的直线与圆弧插补功能，能够加工倒角，圆弧和复杂的回转体零件。
2）由于主传动和进给系统分别用伺服电机驱动，能够实现快速、精确控制。
所以加工出来的零件有较高的精度
3）缩短了加工辅助时间，不再需要人工换刀，批量生产是只需经过一次对刀，很大的提高了生产效率
4）由于一台机床能够实现多工序的加工，省去了工件的搬运时间
能够控制机床进行自动切削，降低了人工强度和人工操作误差。
减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。
5）可以实现加工的自动化、柔性化，从而效率比传统机床提高3-7倍。
6）机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。
1.4普通车床数控化改造的现状
1.4.1数控化改造国内外发展现状
美国、日本和德国等发达国家把机床改造作为新的经济增长行业，美国、日本和德国等发达国家在大量生产数控机床的同时，还非常重视普通机床的数控化改造，机床改造正逐步从制造业中分化出来，并形成了把机床改造作为新的经济增长行业。
如德国的Schiess公司在1981年把一台加工直径为19m的超重型立式车床改装成数控机床。
在美国机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。
从事再生业的著名公司有：
Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg—Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。
美国得宝公司已在中国开办公司。
在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofilng）业。
从事改装业的著名公司有：
大隈工程集团、岗三机械公司、千代阳工机公司、野崎工程公司、滨团工程公司、山本工程公司等[9]。
目前国内数控机床的占有率很低，与其他发达国家相比有很大的差距，但由于购买数控机床昂贵，对普通机床进行数控化改造成为了提高数控车床占有率唯一可行的方法。
如：
国防科技工业开展普通机床数控化改造“十五”期间计划改造1．2～1．6万台，目前已完成3000多台。
改造后生产效率提高约3倍，加工精度提高20％，与新购设备相比可节约资金50％以上。
中国三江航天集团对具有改造价值的109台普通机床进行了数控化改造，取得了良好的效果。
中国兵器工业集团西南自动化研究所积极开发普通机床数控化改造技术，累计完成普通机床数控化改造2000余台[9]。
1.4.2普通机床数控化改造的趋势
对普通机床进行数控化改造的最终目的就是能够使改造后的机床能够无限接近数控机床的性能，所以数控化改造也随着数控机床的发展发展：
1）高速化、高精度、高可靠性
目前车床和车削中心主轴转速达到8000rmin，加工中心的主轴转速一般都在15000rmin～20000rmin，高的达到60000rmin，切削进给速度般达到20mmin，高的甚至达到60mmin，为充分发刀具材料性能、提高加工效率、降低加工成本，并且高加工精度和表面加工品质，数控装备将进一步向高速度或超高速方向发展。
近10年来，在加工精度方面，普通级数控机床的加工精度已由±10um提高到±5um；精密级加工中心则从±（3-5）um，提高到±（1-1．5）um；超精密加工精度已开始进入纳米级（0．0019m）。
国外数控装置MTBF己达60000h以上，伺服系统MTBF达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。
2）柔性化、网络化、集成化
作为推行FMC,FMS,CIMS等信息化改造的基础，经数控化改造后的机床不仅要求能够实现基本的切削加工、自动换刀、自动工作台交换等功能，随着数控机床相柔性化方向的发展功能集成化更多体现在：
工件自动装卸、工件自动定位、工件自动对刀、工件自动测量和集装卸、加工、测量为一体的“完整加工”等。
并且目前先进的数控系统为用户提供了强的联网能力，除了具有RS232C外，还带有远程缓冲功能的DNC接口，可以实现多台数控机床间的数据通信和直接对多台数控进行控制。
3）工艺复合化
为了减少加工的辅助时间，往往很多工序都集中在一台机床上进行加工，这就是工艺复合化。
数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工，以减少非加工时间。
因为在零件加工过程中有大量的无功时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升降速上。
4）智能化
随着人工智能在计算机领域不断渗透和发展，数控系统向智能化方向发展。
在新一代的数控系统中，由于采用“进化运算”、“模糊系统”和“神经网络”等控制机理，性能大大提高，具有加工过程的自动适应控制、负载自动识别、工艺参数自生成、运动参数自动补偿、只能诊断、智能监控等功能。
1.5数控化改造的目的和内容
1.5.1数控化改造的目的
通过对普通的CA6132车床进行数控化改造，从而使普通车床实现数控化控制，在充分利用现有资源的同时提高生产加工效率和加工精度，使普通车床的功能能够满足现代制造业的要求。
同时通过此次的论文设计对普通车床与数控车床的结构特点、所能实现的功能和各个机构的工作原理有更深的认识，对机床数控化改造的步骤和理论知识的应用有大概的把握与了解，积累在这方面的经验。
1.5.2数控化改造的内容
CA6132普通车床的机械部分数控化改造主要是对主传动系统、进给系统和刀架的改造。
主传动系统应该能够实现无级调速，并且保证有较大的调速范围。
当车床低速切削时主轴电机能够提供足够大的切削功率。
同时主轴必须保持一定的回转精度，从而提高车床的加工精度。
改造后的进给系统不但要求能够加工复杂的回转体零件和圆弧，还应该有很高的精度和快速响应的特性，这样才能保证所要求的精度要求。
刀架有多个刀位，并且刀架能够通过计算机控制而实现刀架的回转。
本章小结
本章主要介绍了数控机床对现代切削加工的重要性和优势，数控化改造产生的背景、历史以及国内外发展现状。
总结出数控化改造的目的和内容。
第2章机械部分数控化改造总体方案
2.1CA6132普通车床与数控车床的参数对比
表2-1参数对比
参数
普通车床
数控车床
改造后的车床
床身上最大工件回转直径（mm）
320
320
320
刀架上最大工件回转直径（mm）
175
最大工件长度（mm）
7501000
650
700
主轴转速范围（级数）（rmin）
43―2000（12级）
200―3000
200―3000
主轴通孔直径（mm）
36
53
公制螺纹范围（种数）（mm）
0.5-9（17）
英制螺纹范围（种数）（牙时）
2-38（32）
模数螺纹范围（种数）（mm）
0.5-9（17）
纵向进给范围（mmr）
0.06-3.34
3.8mmin
3.0mmin
横向进给范围（mmr）
0.04-2.45
7.6mmin
7mmin
主轴电机功率（kw）
4
5.5
5
冷却润滑电机功率（w）
120
机床重量（kg）
16001700
外形尺寸（mm）
2175X900X1185
2275X900X1185
包装尺寸（mm）
2035X1080X1520
2405X1080X1520
2.2数控化改造的总体设计方案
2.2.1主传动系统
由于要保证加工零件表面质量的一致性和加工质量，所以必须是主轴的转动稳定并能实现恒速切削。
这就要求主轴能实现无级变速。
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。
2.2.2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2-1横向传动结构图
2.2.3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LD4-C6132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2-2电动刀架安装实物图
2.2.4改造方案图
图2-3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。
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。
1.使用性能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。
2.传递动力要求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。
3.工作性能要求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]。
3.1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。
1.由电动机直接驱动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。
2.采用定比传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。
3.采用分档变速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
3.2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。
1.主传动要有较宽的调速范围，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。
2.为改善主轴的动态性能，需要主传动有较大的无级调速范围。
3.要求主轴在整个速度范围内均能提供切削所需功率，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。
4.为满足数控车床的螺纹切削功能，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。
3.3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：
1.无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低
2.定子绕组散热比较方便
3.惯量小，易于提高系统的快速性
4.适应于高速大力矩工作状态
5.同功率下有较小的体积和重量
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
功率（kw）5.5
额定转矩（N.M）27
额定转速（Rpm）2000
额定电流（A）20.5
转子惯量（kg.）
3.4主轴组件
3.4.1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:
1.精度主轴组件的精度包括旋转精度和运动精度。
2.静态刚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。
3.抗振性抗振性包括抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。
4.热稳定性主轴组件在转动中，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。
5.耐磨性主轴组件必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度[3]。
3.4.2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。
1.主轴的结构形状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。
2.主轴材料和热处理选择主轴材料与热处理的方法，主要依据主轴部件的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。
3.主轴主要精度指标主轴的精度直接影响到主轴部件的旋转精度。
3.4.3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。
3.4.4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。
1.主轴的内径和外径主轴外径越大，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0.7-0.8的前支承轴颈，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0.3时，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
升级会员 