普通车床数控化改造-C6132纵向进给设计毕业论文.docx

第1章绪论1.1数控技术与数控机床数控技术，简称数控(Numerical Corltrol 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(Computer Numerical Control CNC) (:,o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1.2机床数控化改造的兴起及意义1.2.1国外机床改造业的兴起在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造业作为新的经济增长行业， 生气盎然，正处在黄金时期。

由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造成了 一个“永恒〃的课题在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有 广阔的市场，这己形成了机床和牛产线数控改造的新的行业在美国，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 I 程公司、ayton机床公司、DeVlieg一BuUavd(得宝)服务集团、US设备公司等 美国得宝公司已在开办公司在口本，机床改造业称为机床改装 (Retrofitting)业从事改装业的著名公司有:大限工程集团、岗三机械公司、 千代出工机械公司、野崎工程公司、滨出工程公司、山木工程公司等⑵1.2.2我国机床数控化改造的意义我国目前机床总量约400万台，其中数控机床总数只有20万台，即我国机 床数控化率仅为5%左右，而国外发达国家的机床数控化率，多年前就达到20% 以上我国机床役龄10年以上的占60%以上；役龄10年以下的机床中，自动 /半自动机床不到20%, FMC / FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和H本自动 和半自动机床占60%以上）可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装 备绝大多数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的I口机床⑶。

用这 种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成木高、供货期长等 现象，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、 效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率口前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床来替换根本不现实，而且 替换下来的I口机床闲置起来又会造成浪费，要解决这些问题，应走普通机床的数 控化改造之路从美国、日木等国家工业现代化进程看，机床的数控化改造也必 不可少，数控改造机床占有较大比例如日本的大企业中有26%的机床经过数 控改造，中小型企业则是74%,在美国有许多数控专业化公司，为世界各地提 供机床数控化改造服务因此，普通机床的数控化改造不但有存在的必要，而且 大有可为，尤其对一些中小型企业更是如此利用现有闲置的旧机床，通过数控化改造，使其成为一台高效、多功能的数 控机床，投资少、见效快，是一种盘活存量资产的有效方法，也是低成本实现自 动化的有效方法，也是在短期内提高我国机床的数控化率的一条有效途径另外对普通机床进行数控化改造有许多积极的意义：（1） 节省资金机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的 费用，大型及特殊设备尤为明显。

一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3, 即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可 以利用现有地基2） 性能稳定可靠因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力 变形而影响精度3） 提高牛产效率机床经数控改造后即可实现加工的自动化，效率可比 传统机床提高3至5倍对复杂零件而言难度越高功效提高得越多，且可以不用 或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期4） 可实现多工序的集中，提高了相关的加工精度，同时减少了零件在机床 间的频繁运转5） 可缩短新产品试制周期和牛产周期，对市场需求做出快速反应机床 数控化还是推行FMC、FMS以及CIMS等企业信息化改造的基础6） 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了 机床的加工状态还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问 题1.3本文所研究的主要内容本次设计是对普通车床C6132的数控化部分进行机械改造由于对经济型数 控机床的加工精度要求不高，为简化结构、降低成木通过控制进给系统，保证 改造后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能为实现机床所要求 的传动效率，采用步进电机经联轴器再传动丝杠；为保证一定的传动精度和平稳 性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。

研究内容包括：1 •机床传动系统图 的设计；2.车床数控化改造机械部分改造设计与计算；3.控制系统的硬件电路设 计⑷1.4本章小结本章主要介绍了国内外数控技术和数控机床，以及机床数控化改造的兴起及 意义，并提岀了本次设计的研究内容，通过了解这些内容，来更好的完成此次设 计的目标第2章 车床总体改造方案设计2.1总体方案设计利用数控系统NIM-9702对C6132型卧式车床的纵，横向进给系统进行开环 控制纵向脉冲当量为0. 01mm/脉冲，驱动元件采用步进电动机改造后的机床 能完成一般车削及加工任意面、球面、螺纹等加工工序并能控制主轴开停变速、 刀架转位及一些辅助功能，使加工实现自动化根据设计任务，系统应采用轮廓控制形式控制系统硬件由微机部分、键盘 及显示器、I/O接口及光电隔电路、步进电动机功率放大电路等组成纵向、横 向均采用步进电动机一减速带一滚珠丝杠螺母一溜板的传动方式刀架更换为四 刀位自动回转刀架2.2主传动系统的改造2.2.1主轴无级变速的实现C6132车床的主轴变速为手动、有级变速考虑到数控车床在自动加工的过 程中负载切削力随时会发生变化，为了保证工件表面加工质量的一致性、提高工 件加工质量，主轴要能实现恒切削速度切削。

这就要求主轴能实现无级变速目 前实现无级变速主耍有两种方式，其一是采用变频器驱动电机的方式，同时保留 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，又减少了改 造量；其二是用双速或者是四速屯动机替代原有车床的主屯动机由于多速电机 的功率是随着转速的变化而变化的，所以要选择功率较大一些的电动机，随之电 动机的尺寸也变大了，机床改造相对较麻烦，另外在这种改造方式下，主传动系 统也耍拆除并进行重新设计，这样可以得到加工精度和稳定性更高的车床，但是 加大了改造成本考虑到改造的成本，我决定采用第一种方式，这样可以利用原车床的三相异 步电动机即由数控系统控制变频器，变频器驱动异步电动机实现主轴无级变速交流异步电动机的转速与电源频率，电动机磁极对数nfp以及转差率之间的关系式为:(2-1)60/P(l —S)对于C6132,电动机磁极对数和转差率是定值，因此利用变频器改变电源频 率fn即可改变电动机的转速另外，变频器能方便地与数控系统连接，控制电动机的正转、反转及停止变频器的控制方式主要有U / f恒定控制方式、无反馈矢量控制方式和有反 馈矢量控制方式数控车床除了在车削毛坯时，负荷大小有较大变化外，以后的 车削过程中，负荷的变化通常是很小的。

因此，就切削精度而言，选择U/f恒 定控制方式是能够满足要求的但在低速切削时，需要预置较大的U/f,在负 载较轻的情况下，电动机的磁路常处于饱和状态，励磁电流较大因此，从节能 的角度看，并不理想数控车床属于高精度、快响应的恒功率负载加工设备，应 尽可能选用矢量控制高性能型通用变频器，而且中、小容量变频器以电压型变频 器为主有反馈矢量控制方式虽然是运行性能最为完善的一种控制方式，但由于 需要增加编码器等转速反馈环节，不但增加了费用，而且编码器的安装也比较麻 烦所以，除非对加工精度有特殊要求，一般没有必要选择此种控制方式目前，无反馈矢量控制方式的变频器已经能够做到在0. 51Iz时稳定运行所 以，完全可以满足主运动系统的要求，而且无反馈矢量控制方式能够克服U/f 控制方式的缺点，因此可以说，是一种最佳选择数控车床连续运转时所需的变频器容量（kVA）计算式如下:〃 cos (p【CN - klPed飒(2-2)式中，PM——负载所要求的电动机的轴输岀功率; n ——电动机的效率（通常约0. 85）；cos ——电动机的功率因素（通常约0. 75）MU——电动机的电压，380V；Ml——电动机工频电源时的电流，为15. 4A；k——电流波形的修正系数（PWM方式时取1. 05-1. 10）；PCN——变频器的额定容量，kVA；ICN——变频器的额定电流，A；由公式（2-2）可得：PcN -〃COS01.1x40.85x0.75PCN >xlO-3 =73xl.lx380xl5.4xl0-3 11.15(m)(2-3)ICN > kJM =1」x 15.4 = 16.94(A)选择变频器时应同时满足以上三个等式的关系。

综合以上分析计算，确定选 用三菱FR-A540系列变频器，具体型号为FR-A540-7. 5K-CH2.2.2主轴脉冲编码器的安装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，通过主轴一脉冲 编码器一数控系统一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 主轴通过主轴箱中VI轴和IX轴的58 / 58及IX轴和X轴的33 / 33两级齿轮（实现 传动比1： 1）把动力传递给挂轮轴XC6132主轴转速范圉是20^2000 r/min,可以选择欧姆龙E6B2-CWZ6C型光电 脉冲编码器，其允许的最高转速为6000r/ min,所以满足设计要求⑹2.3导轨的改造由于导轨表面有明显的划痕，摩擦系数变大，会产生进给运动的失真为了 恢复导轨的精度，增加耐磨性，提高机床的稳定性，提高机床的防爬行和吸振性 能，对机床导轨选用填充聚四氟乙烯软带来改造。

填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙 烯中添加青铜粉、二硫化硅、玻璃纤维粉、二硫化铜、石墨、聚苯等填充剂，使 聚四氟乙烯的性能改善如下：（1）耐负荷变形可提高5倍；⑵刚性提高4〜5倍； ⑶热膨胀系数减小1 /3-1/2； (4)导热率提高2倍；(5)硬度提高10%； (6) 抗压强度增加2〜3倍在利用填充聚四氟乙烯软带对原车床导轨贴塑的工作中, 主要是对粘接工艺的控制•机床传动系统详情参考图纸12.4数控系统的类型及选择2.4.1数控系统的分类目前，数控系统的品种规格繁多，功能各界，分类方法不一，通常可按下面 两种方法进行分类1. 按加工路线分类(1) 点位控制系统其特点是：只要求控制机床移动部件从一点移动到另一点的准确位置，至于 点与点之间的移动轨迹(路径和方向)并不严格要求各坐标轴之间的运动是不 相关的，并且在移动过程中不进行切削。