XK715B数控铣床改造Y向

毕业设计说明书共21页第1页目录一、设计题目及任务······························2二、前言····································3三、机床数控改造的意义··························4四、机床改造概述及改造背景······················4五、Y向改造方案的确定··························5六、机床机械部分设计····························9七、数控系统及伺服系统的改造····················12八、功能确定及分布······························14九、机床调试验收································15十、结束语······································20十一、参考文献··································21毕业设计说明书共21页第2页设计题目及任务XK715B数控铣床改造Y向根据所给条件，完成XK715B数控铣Y向改造工作一、已知条件：1、主轴电机最大功率为12KW，恒扭矩27N·M2、Y向运动部件自重500Kg，滑动导轨，水平移动（铸铁—塑料）二、要求：1、说明书部分1）Y向数控化改造方案的确定(机械部分和系统部分)2）相关计算过程及元件选用3）安装、调试过程说明2、图纸部分1）Y向数控化改造总装图2）电机安装支架图毕业设计说明书共21页第3页前言数控铣床是一种应用很广的数控机床，分为数控立式铣床、数控卧式铣床和数控龙门铣床。XK715B数控铣床主要由床身、铣头、纵向工作台、横向床鞍、升降台、电气控制系统等组成。能够完成基本的铣削、镗削、钻削、攻螺纹及自动工作循环等工作，可加工各种形状复杂的凸轮、样板及模具零件等。图为数控铣床的布局图，床身固定在底座上，用于安装和支承机床各部件，控制台上有彩色液晶显示器、机床操作按钮和各种开关及指示灯。纵向工作台、横向溜板安装在升降台上，通过纵向进给伺服电机、横向进给伺服电机和垂直升降进给伺服电机的驱动，完成X、Y、Z坐标的进给。电器柜安装在床身立柱的后面，其中装有电器控制部分。数控机床与普通机床相比较的特点：1）数控机床采用数控装置或电子计算机，全部或部分的取代一般通用机床在加工零件是对机床的各种动作；2）数控机床加工零件的所有机械动作，都可以转化为指令形式并将按一定工作顺序制成零件程序以控制机床；3）对机床对象有较强的适应性，对加工小批量复杂的零件有极其显著的优势性；4）可降低劳动强度，准备工时短，生产周期短。毕业设计说明书共21页第4页机床数控改造的意义一、节省资金。机床的数控化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机床60%的费用，并可以利用现有地基。二、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。三、提高生产效率。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。机床改造概述及改造背景机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使毕业设计说明书共21页第5页用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。本次改造主要是将XK715B机床的Y向进行改进，提高其使用价值。Y向改造方案的确定Y向改造方案的确定方案的内容包括：系统运动方式的确定；伺服系统的选择；执行机构的结构及传动方式的确定；数控控制系统的选择等内容。应根据设计任务和要求进行调研，查阅技术资料，提出改造的总体方案，并对方案进行分析比较和论证，最后确定总体方案。确定方案时，应仔细考虑机床与控制部分相互之间的各种要求，做出合理的设计。不仅要考虑各种高性能、自动化要求，也要考虑被改造机床的具体条件，使技术的先进性与经济的合理性较好地统一起来。查看有关资料，并且参照以往数控机床的改造经验，确定总体改造方案为：1)对机床的改造部位是：拆掉普通丝杆、光杆进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；各丝杠末端加装带编码器的伺服电机；2)数控系统选用西门子数控系统。查看XK715B铣床有关资料，并且借鉴以往数控机床的改造经验，我们对数控系统的选型初步选定了三种，即SIEMENS802C/S、毕业设计说明书共21页第6页SIEMENS802D、FANUC0I-T。这三种数控系统的特点以图表形式列出：数控系统系统控制/联动轴数工作模式组PLC控制输入/输出点数运动方式伺服驱动系统系统价格SIEMENS802S3/3自动、半自动、手动、回零50/50直线插补、圆弧插补步进电机80000元左右SIEMENS802C3/3同上50/50同上SIEMENS1FK7伺服电机100000元左右SIEMENS802D4/4同上100/100同上带PROFIBUS接口的SIEMENS1FK7伺服电机160000万左右FANUC0I-TB4/4同上96/49同上FANUC交流伺服电机200000万左右通过以上方案分析论证，最终确定总体改造方案为：1)控制系统的选择根据新型机车轮毂的外型特点及加工要求，确定选择西门子820D控制系统，对该设备的Y向进行控制；并实现Y向的联动。2)伺服系统的选择伺服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与电机用联轴节连接进行运动和力的传递。毕业设计说明书共21页第7页5)机械精度的修复机械精度的修复主要指Y向导轨精度的修复及主轴回转精度的修复等。6)Y向导轨润滑装置增加自动润滑装置润滑Y向导轨。机械设计部分滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。滚珠丝杠副有多种结构型式。按滚珠循环方式分为外循环和内循环两大类。外循环回珠器用插管式的较多，内循环回珠器用腰形槽嵌块式的较多。按螺纹轨道的截面形状分为单圆弧和双圆弧两种截形。由于双圆弧截形轴向刚度大于单圆弧截形，因此目前普遍采用双圆弧截形的丝杠。滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点：传动效率高、灵敏度高、传动平稳：磨损小、寿命长；可消除轴向间隙，提高轴向刚度等。1）Y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。伺服电机安装在机床的头部。由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使Y向进给整体刚性略优于未改造前。2）伺服电动机的类型直流伺服电动机在结构上和传统的直流电动机没有区别，只是在设计时使其转动惯量较小，过载能力较强，具有较好的换向性能。毕业设计说明书共21页第8页而交流伺服电动机克服了前者的电刷和整流子经常维修，尺寸较大，容量和使用环境受到限制等缺点，所以采用交流伺服电动机。3）伺服电动机与丝杠的联接伺服电动机与丝杠的联接，必须无间隙。只有这样才能准确执行系统发出的指令，在数控机床中伺服电动机与滚珠丝杠的联接方式采用齿轮减速式，这种方式在数控机床应用普遍，特别是经济型数控机床。4）滚珠丝杠副的防护和润滑滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。Y向伺服电机和滚珠丝杠全部加防护罩，以保持防尘和机床整体美观。润滑剂可提高耐磨性及传动效率，分润滑油和润滑脂两大类。润滑油一般为全损耗系统用油；润滑脂可采用锂基润滑脂。润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，每半年对滚珠丝杠上的润滑脂更换一次，清洗丝杠上的旧润滑脂，涂上新的润滑脂。数控系统简介根据机床加工的需要，这项改造只需要对Y向坐标进行数控控制。数控系统采用西门子实现对各坐标的进给控制和对各坐标超程的检测以及对冷却泵电机、润滑泵电机、照明工作灯的开启和关闭的控制。Y向坐标驱动采用带编码器的伺服电机实现半闭环控制。机床的调试接口电路和强电逻辑回路需交叉设计，还应制造、安装、调试，毕业设计说明书共21页第9页这是改造的关键之一。一般应预先将数控系统、接口电路等脱机运行，机械及液压气动装置也应单独运行，在确定无误后，才能联机调试。调试时应遵守先手动、后自动，先空运行、后试切的原则。调试合格后，要按设计要求进行负荷切削试验和各项精度指标的考核，直至加工出合格的产品为止，然后交使用单位使用，并协助培训操作和维修人员。机床机械部分设计1、机械部分改造设计与计算机械部分设计内容包括：相关计算过程及元件选用。（1）切削力与切削功率计算利用下面公式：切削功率Pc=P·η·KP——电机功率18KWη——传动效率0.8K——功率系数0.96计算切削功率得：Pc=9.216KW（2）Y向摩擦阻力的估算Y向运动部件自重约：4900NY向运动部件之间摩擦系数（铸铁对铸铁）：0.18Y向摩擦阻力：FMY=4900×0.18=882N（3）切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大（或扭矩）和毕业设计说明书共21页第10页最大切削速度（或转速）来计算，即Pc=FYv10-3/60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/minFQ=60Pc103/v=60×9.216×103/400=1382.4N在一般外圆车削时取Y向分力为：FQY=0.6FQ=829.44N（4）Y向坐标运动时的工作阻力Y向坐标运动时的工作阻力：FY=FMY+FQY=882+829.44=1711.44N（5）伺服电机扭矩的计算由于主轴电机最大功率为12kw横扭矩为27N.m根据Pc=Tn/9550得n=4244又根据公式FY=60Pc103/v和Pc=Tn/9550得Y向扭矩T=9550FYv10-3/(60n)=25.7Nm（6）联轴器的选择选择无间隙的联轴器。其结构简单，成本低，传递的转矩较大，使用与刚性大，振动冲击小和地速大转矩的连接场合，是应用最广的一种刚性联轴器。（7）轴承的选择考虑丝杠的受力情况，选择角接触球轴承。它能够同时承受轴向力和径向力。再根据丝杠的直径，在此确定轴承的型号为7008AC。毕业设计说明书共21页第11页2、机床改造后的机械结构特点（1）此Y向滚珠丝杠比较长，所以必须采用三点支撑形式。考虑到角接触球轴承能够同时承受轴向力和径向力，因此在丝杠的左右端各设计了一个专用轴承支座，分别采用一对角接触球轴承来支撑丝杠。由于拆除了走刀箱，在原走刀箱部位设计了一个滚珠丝杠的丝母支架，用来固定丝母，并起到了支撑丝杠的作用，消除了因丝杠自重引起的弯曲，从而提高滚珠丝杠转动时的稳定性。并根据机床的结构，将伺服电机放在床身头部，丝杠与电机用联轴节连接。因为所选用的丝杠和电机都是采用的无键连接，所以，联轴节也采用了无键连接的锥套式联轴节，这样使得丝杠与电机的连接更加方便、可靠，并且使得联轴节的径向尺寸缩小，节省了空间与零件数量，使结构更加紧凑。根据机床的实际使用情况和要求，这次改造保留了所必需的开关杠。主轴的正反车与刹车均由开关杠来实现。（2）导轨副仍采用机床原来的导轨副，不作改动。（3）润滑装置取消Y向导轨手动润滑装置，增加自