CA6140车床的数控改装

CA6140车床的数控改装绪论数控机床的发展史1946年诞生了世界上第一台电子计算机。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。（注：两个阶段：数控NC阶段和计算机数控CNC阶段。六代：即电子管时代、晶体管时代、小规模集成电路时代、小型计算机时代、微处理器时代和基于PC时代）。必须指出，数控系统发展到了第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便（主要是编程困难）等极为关键的问题。因此，数控技术经过了近30年的发展才走向普及应用。机床数控化改造的意义机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。众所周知，企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出满足市场需求、性能合适的产品。目前,采用先进的数控机床已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的另一条有效途径。机床数控化改造的市场目前在我国有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3％。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高等不良因素，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。近年来，美国、日本、德国、英国等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活跃。机床改造业正逐步从机床制造业中分化出来，形成了用数控技术改造机床和生产线的新的行业和领域。数控化改造后机床的优越性1)机床数控化改造可以提高零件的加工精度和生产效率。2)机床数控化改造可以提高机床的性能和质量，加工出普通机床难以加工或者不能加工的复杂型面零件。3)机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效率可比传统机床提高3~7倍。4)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运，降低工件的定位误差。5)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。6)数控加工降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期很生产周期，并可对市场需求做出快速反应。经数控化改造的机床就成为了数控机床，具有数控机床的特点，如数控机床本身具有的高速、高效和高精度，工序集中，可靠性高等特点。但是改造后的机床也具有一定的局限性，主要有机床原有结构精度限制了改造后机床的加工精度和加工性能；机床原有的结构形式限制了改造后机床的加工范围和数控化程度。这些不利条件最终影响了改造后机床的速度和精度。随着数控产业整体水平的提高，数控系统的性能、伺服电动机及其驱动装置等配套产品的性能也提高很多，对数控化改造中机床速度和精度的提高都非常有利一.总体设计方案:1.1设计任务：将CA6140普通车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控机床，采用步进电机开环控制，纵向和横向均具有直线和圆弧插补功能。要求该车床具有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选MCS—51系列单片机扩展系统。（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。1.2给定条件:设计参数如下：最大加工直径：在床面上400mm，在床鞍上210mm；最大加工长度：1000mm；溜板及刀架重力（纵向/横向）：1000/600N；刀架快移速度（纵向-横向）：2.4-1.2m/min；最大进给速度（纵向-横向）：0.6-0.3m/min；定位数度：0.015mm；主电机功率：7.5kw；启动加速时间：30ms;1.3．设计要求:1.3.1．系统的运动方试与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。考虑到经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。1.3.2．计算机系统根据机床要求，采用8位机。由于MCS—51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS—51系统的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用MCS—51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。所以应选用8031单片机。其次，《设计任务书》也给出了选用8031。由此可见选用8031是符合经济数控机床电路设计的。1.3.3．机械传动方式为了实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠。为了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。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。系统总体方案见如下如下二．进给系统机械部分设计与计算2．1．进给系统机械结构改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。2．2．系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机，绘制机械部分装配图及零件工作图等。2．3．横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤横向进给系统计算简图如下：少图（图2-1横向进给系统计算简图）2．3．1．系统脉冲当量及切削力的确定脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲,根据机床精度要求确定脉冲当量,纵向:0.01mm/step.2．3．2．切削力的计算纵车外圆时主切削力Fz(N)按经验公式估算：主切削力:Fz=0.67Dmax=0.67（式2-1）横切端面时主切削力Fz可取纵向主切削力的1/2：Fz=0.5Fz=2680N按切削力各分力比例：Fz：F：F=1：0.25：0.4（式2-2）所以F=26802．3．3．滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。珠丝杠滚副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等几种。2．3．3．1．计算进给牵引力Fm(N)横向导轨为燕尾形，计算：F（式2-3）其中F为滑动导轨摩擦系数：0.15-0.18取0.16，G为溜板及刀架重力GF2．3．3．2．计算最大动负载CC=（式2-4）以上式中：Lo为滚珠丝杠导程，初选Lo=5mm;Vs为最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/2-1/3，取1/2，即Vs=0.3；fw为运转系数，按一般运转取fw=1.2-1.5取1.3；L为寿命，以10转为1单位,T为额定寿命，可取T=15000hnL=C=2．3．3．3．滚珠丝杠螺母副的选型根据《机械设计手册》，CDM2005-2.5外循环插管式垫片预紧导珠管入型埋入滚珠丝杠副的额定动载荷8451N，可满足要求，选定精度为3级。2．3．3．4．传动效率计算η=tan/tan(+φ)（式2-5）式中.为螺旋升角,根据初选型号查出，滚动摩擦系数f=0.003~0.004,φ—摩擦角取10′。η=tan/tan(+φ)=tan4°33′/tan(4°33′+10′)=0.9652．3．3．5．刚度验算最大牵引力为2425N，支承间距L=450mm，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。计算如下：丝杠的拉压变形量根据Fm=1806N，Do=20mm，从工厂的滚珠丝杠样本的图表中查出/L=4因此，=4mm滚珠与螺纹滚道接触变形查资料：因进行了预紧，所以。支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形采用8102单向推力轴承（GB301-84），d=4.673，Z=12，d=15mm；考虑到进行了预紧，所以：=；综合合以上几项变形量之和：显然，此变形量已大于定位精度的要求，应该采取相应的措施修改设计，因横向溜板限制，不宜再加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨减小摩擦力，贴塑导轨的摩擦系数在0.03~0.05之间，在此取F=0.04，从而减小最大牵引。重新计算如下：Fm=1.4从资料中查出，当Fm=1155N时，，因此，=，不变。所以综合几项变形量之和：。此变形量仍不能满足要求，如果将滚珠丝杠再经过预拉伸，刚度还可以提高四倍，则：，此变形量可以满足设计要求。2．3．3．6．稳定校核：计算临界负载：F（式2-6）其中：E丝杠材料弹性模量，钢材：E=20.6N/cm；I为截面惯性矩，丝杠：，为丝杠的内径，L为丝杠最大工作长度（mm），f为丝杠支承方式系数，因为丝杠是一端固定一端简支，查表（2-7）得f=2.0所以：图框：签：杂谈表（二-1）方式两端端自由一端固定一端自由两端固定两端简支Fz0.252.04.01.0，所以滚珠丝杠不会失稳。2．3．3．7．滚珠丝杠副的几何参数：滚珠丝杠副型号：CDM2005-2.5；公称直径d=20；螺纹底径；导程；钢球直径；丝杠外径；旋环列数圈数；额定动载荷；额定静载荷；接触刚度。螺母安装尺寸：（图2-2内循环滚珠丝杠副安装连接尺寸）D=45D3=70D4=56B=11D5=5.8D6=10h=6L=78L1=28C=4A=3M=M62．4．纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤纵向进给系统计算简图如下：（图2-3纵向进给系统计算简图）2．4．1．最大工作荷载计算滚珠丝杠的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于原普通CA6140车床的纵向导轨是三角形导轨，则用下面计算工作载荷的大小。Fm=KFL+f’(Fv+G)（式2-7）车削抗力分析车削外圆时的切削抗力有Fx﹑Fy﹑Fz，主切削力Fz与主切削速度方向一致垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据