CA6140型普通车床数控化改造.docx

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1、CA6140型普通车床数控化改造摘要以C6140型普通车床为例，从机械和电气方面详细阐述了数控化改造的方 法。改造后的车床投入使用后运行稳定，加工精度明显提高，取得了极大的经济效益。关键词普通车床；数控化改造；SINUMERIK802S base I ineNumerical Control Transformation of C6140 CommonLatheAbstract ： Takes CA6140 type common lathe as an example ,has explained the NC transformation method from machinery and

2、 electric two respects in detail. After transforming, the new lathe runs steadily, the machining accuracy is obviously improved, has made the great technological economic benefits.Key words： common lathe; NC transformation; SINUMERIK802S base line第三章机械局部改造3.1机械传动方式为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，为保证一定

3、的 传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和 消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也采用消除齿侧间隙的结构。横向进给系统改造横向滚珠丝杠也采用一端固定，一端浮动，三点支承的形式，也通过双螺母螺纹预 紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，如图5所示。横向步进电机1及减速器2安装在床鞍 的后部。靠近操作者一端，布置一根支撑短轴11,通过套筒联轴器10与滚珠丝杠7连 接起来。右端仍利用原支承横向进给丝杠的滑动轴承支座作为径向支承，并对原支承处 作适当改造，布置一对推力球轴承12,以承受双向轴向力。左端那么将原车床的悬空结构 改为支承结构，用一个联轴套4和一根连接短轴6

4、把滚珠丝杠7与减速器输出轴3连接 起来，并通过一对圆螺母5实现对整个丝杠的预拉伸和锁紧，以提高其轴向刚度。螺母 通过螺母座9直接固定在中拖板8上。图5横向进给系统图L横向步进电机2.减速器3.减速器输出轴4.联轴套5.圆螺 母6.连接短轴7.横向滚球丝杠8.中拖板9.螺母座10.套 筒联轴器11.支撑短轴12.推力球轴承2数控机床进给伺服系统的设计计算3.1.1 选择脉冲当量：根据机床精度要求选择脉冲当量，纵向：0.01/mm步，横向：0.005/mm步。3.1.2 算切削力:纵车外圆时主切削力Fz (N)按经验公式估算：Fz=0.67Dmax L5 =0.67 x 400 L5 =5360N

5、第6页共41页 横切端面时主切削力Fz (N)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： Fy： Fx=l： 0.25： 0.4Fx=2680x 0.4= 1072；Fy=2680x0.25=670N；3.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型横向进给丝杠：3.3.1 计算进给牵引力Fm(N)横向导轨为燕尾形，计算：Fm=1.4xFy+F (Fz+2Fx+G)其中：F为滑动导轨摩擦系数：取0.16G为溜板及刀架重力：G=600NFm=1.4x670+0.16x (2860+2x1072+600) 1806 (N)3.3.2 计算最大动负载C：c=VZF加，其中：

6、L二1000 xVn 二以上式中：L0为滚珠丝杠导程，初选：L0=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；f卬为运转系数，按一般运转取：f卬=1.2T.5； 1X1.3 ；L为寿命，106转为41单位。1000 xVs. 1000x0.3x0.5 L。5T 60 x n x T 60x30x15000 ”-?=27C=VLfH,F, = V27 xl.3xl806 7043 N选择滚珠丝杠螺母副：根据机械设计师手册(机械工业出版社出版发行)第一版上册，CDM 2005-2.5外 循环管式垫片预紧导珠管埋入型滚珠丝杠副的额定动载荷为8541N可满足要求

7、，选定精 度为3级传动效率计算：第7页共41页n -_ Jg4 33 =o 965%(7 + (p)氏(4。33,+10)式中：/螺旋升角(CDM 2005-2.5) ,7 = 4033。摩擦角，夕=10，刚度验算横向进给丝杠支承方式如横向进给系统计算简图见以下图所示:图2横向进给系统计算简图最大牵引力为：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：(1)丝杠的拉伸或压缩变形量查图4-6, 根据 F1806N,。0=20加 2 查出：51/L = 4xlQ-5 因此:心二仇 / L x L = 4 x 10-5 X 450 = 1.80(zwn)(2)

8、滚珠与螺纹滚道间接触变形当：查资料：3q=85m，因进行了预紧:S2 q = x 8.5 = 4.25/m.(3)支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形2:采用8012 单向推力球轴承(GB301-84) , d。=4.763, z = 12, d = 15mm氏=0.0024 3 2生=0.0024 x J 202 32 o = 0.0094 mmdQZ2V 4.763x122第8页共41页考虑到进行了预紧，以：63 = g% = 0.0047mm综合以上几项变形量之和：3 = R + & + 怎=0.0180 + 0.00245 + 0.0047 = 0.02695 mm显然，此变形量已大于定位

9、精度的要求!，应该采取相应的措施修改设计，因横向溜板 空间限制，不宜再加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小最大牵引 力。重新计算如下：Fm=L4xFy+F(Fz+2Fx+G)= 1.4 x 670+0.04 x (2860+2 x 1072+600) = 1155N从资料中查出，当Fm=1155时，= 2.4x10-5,因此，4 /LxL = 2.4xlO-5 x450 =1.08x10夕和演不变，所以综合几项变形量之和：5 =凡 + 2 + & = 0.0108 + 0.00245 + 0.0047 = 0.01975 mm此变形量仍不能满足要求，如果将滚珠丝杠再经过预拉伸!

10、刚度还可以提高四倍，那么,5+32 +2 = i x 0.0180+0.00245 + 0.0047 = 0.01165mm此变形量可以满足设计要求。336校核滚珠丝杠副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压振动固有频率，其扭转 刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杠副的拉压系统刚度L由丝杠本身的拉 压刚度L丝杠副内滚道的接触刚度K“轴承的接触刚度除 螺母座的刚度山 按不同 支承组合方式的计算而定。扭转刚度按丝杠的参数计算。(1)临界压缩负荷丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大，采用两端固定的支承方式并对丝杠进行预 拉伸，可以最大限度地发挥丝杠的潜能。所以设计中采用两端固定的支承方式。

11、临界压缩负荷按下式计算：于兀旧F N21 max (3.7)式中E材料的弹性模量E钢=2. 1 X 10H (N/m2)；Lo最大受压长度(m)；K1平安系数，取Kl1/3；第9页共41页最大轴向工作负荷（N）；-丝杠支承方式系数；（支承方式为双推一一双推时，见以下图，3=4,f2=4. 730）丝杠最小截面惯性矩（m(3.8)/ = 2Ld；=x。-L2dJ64 2 64式中d0丝杠公称直径(mm)；dw滚珠直径(mm)o3 |4I = x (32 1.2 x 3.969)4 x W12 = 2.7 x 10-8m464丝杠螺纹局部长度“=180 + 112 + 40 = 332m加，取Lu

12、 = 350mm支承跨距匕=400mm， 丝杠全长 L = 500/秋由公式7）4x3.142x2.1x10hx2.7x10-8 1 )”了 厂 ”了Fcr =； x- = 422554.3N 耳皿=20137Vcr4202x10-63可见忆远大于，僦，临界压缩负荷满足要求。（2）临界转速222(3.9)式中A丝杠最小横截面：A =，=工x31.5x10-6=7.8x1（TW4 - 4Lf.临界转速计算长度:112 10c0 500-350 cc 二F180 + 40 H= 351.5 Q 0.4根取 Lc = L = 0.4m ,k2平安系数，一般取左2=。8； p材料的密度：P= 7.85

13、x103依/加3； f2丝杠支承方式系数，查表得力=4.730,第10页共41页满足要求。产 910x4.7302 x 簪=43650r/min ITklX=1500r/min(3)丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率丝杠系统的轴向拉压系统刚度L的计算公式:两端固定：11114KB Kc Kh Ks(N/机)7(3.10)式中Ke滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/um)；Kh螺母座的刚度(N/um)；Kc丝杠副内滚道的接触刚度(N/ u m)；Ks丝杠本身的拉压刚度(N/ P m)；Kb轴承的接触刚度(N/ u m) o1)丝杠副内滚道的接触刚度可查滚珠丝杠副型号样本。2)轴承的接触刚度可查轴承型号样

14、本。3)螺母座的刚度可近似估算为lOOOo4)丝杠本身的拉压刚度：对丝杠支承组合方式为两端固定的方式：AF ( / )xlO-67V/ma l-a)(3.11)式中A丝杠最小横截面，A = -dmm2)；4 -E材料的弹性模量，E=2. 1 x 10u(N/m2)；1两支承间距(m)；a螺母至轴向固定处的距离(m)。：轴承的接触刚度Kb=1080N/加，丝杠螺母的接触刚度=716.7N/t,丝杠的最小拉压刚度长a=545.2-2 (见后面计算)。螺母座刚度K“=l(X)0N/11111111Ke 4x1080 716.7 1000 4x545.2=(=324N/”丝杠系统轴向拉压振动的固有频率

15、:第11页共41页coB - Arad I s(3.12)V m式中m丝杠末端的运动部件与工件的质量和(N/Rm)；Ke丝杠系统的轴向拉压系统刚度(N/ um)。显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min,能满足要求。(4)丝杠扭转刚度4(3.13)丝杠的扭转刚度按下式计算：耳=7.84%L式中dm丝杠平均直径:L丝杠长度31 754Kt = 7.84= 15934/Vm/r7500扭转振动的固有频率:(3.14)式中工一一运动部件质量换算到丝杠轴上的转动惯量(kg - m2)；Jz丝杠上传动件的转动惯量(kg - m2)；Js一一丝杠的转动惯量(kg-n?)。由文献7, 8得:平

16、移物体的转动惯量为=5.2*107依病=5.2*107依病2000 0.01 9(O(O=()9.81 271丝杠转动惯量:=I 皿忒=|x 兀片 x Lp)oo 41 2 d3432=4xlO_4Z:g*m2第12页共41页J. = 1.6xl0-4m215934=4427. Imd / s = 42297 r/ min A(5.2 + 1.6 + 1)xW4显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min,可以满足要求。（5） 传动精度计算滚珠丝杠的拉压刚度滚珠丝杠的拉压刚度(3.15)_ 7id2EA.5 4L导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L值分别为300mm和

17、100mmo最大与最小机械传动刚度:K,smaxAE x0.03152x2.1x1054x0.1= 1635.7N/加minAE ttx0.03052x2.1x1054x0.3= lO2.5N/jLim最大和最小机械传动刚度:l/K,n+l/Kc+l/KB 1/545.2 + 1/716.7 + 1/1080=240.65N/ /nm1/Kz +1/Kc + 1/Kb 1/1635.7 + 1/716.7 + 1/1080=341N/ jLim由于机械传动装置引起的定位误差为k = F0(3.16)今=1456.6x(240.65 341)=1.78/zm对于3级滚珠丝杠，其任意300mm导程

18、公差为12/m ,机床定位精度 0.024mm/，所以，dk ，ax= 20801N，ax= 1335.6N4x3142x2.lxl0x0.68xl(r89502 x 10可见忆远大于，僦，临界压缩负荷满足要求。(2)临界转速由公式(3.9)4=工港=K x20.1x10-6 =3.17x1(TW4 一 4了125 口 1100-850ccL. =b 650 + 40 H= 877.5 p 0.9mc 22取 Lc = L = m ,n “p 9910x4.73()2 x。,。1 = 4456.5r/min n V1X =1500r/mincr 2nidA满足要求。(3)丝杠拉压振动与扭转振动

19、的固有频率由公式(3. 10) (3. 11) (3. 12)：轴承的接触刚度Kb=760N/4根，丝杠螺母的接触刚度K=556.25N/加, 丝杠的最小拉压刚度Kmin=102.5N/相(见后面计算)。螺母座刚度K“ =1000N/*1 1111111K, 4x760 556.25 1000 4x102.5nK,=179.67N/加丝杠系统轴向拉压振动的固有频率:第20页共41页9.8x 179.67xlO6 ic/ .(匚八八 1 =72lA2rad/s = 6889.7r/min 1500r/min 3386显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/niin,能满足要求。(4)丝杠

20、扭转刚度丝杠的扭转刚度由公式(3. 13)计算:24 84KT=1.S4= 2696ANm/rT 1100由文献7, 8得:平移物体的转动惯量为,3386 0.01 2in_4Z 2J,、=() =8.75x10 kgm09.81 2兀丝杠转动惯量:Js =-ms834 32=3.46xl()T 依苏4 =1.5x104 依扭转振动的固有频率按公式(3. 14)计算:269： = 1537.86rd/s = 14692.9r/min(8.75 + 1.5 +号“ICT4显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min,可以满足要求。(5)传动精度计算导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压

21、刚度，其中，L值分别为650mm和lOOmnio由公式(3.15),最大与最小机械传动刚度:AE x0.02012x2.1x1054x0.1=666N/ /urnmin=102.5N/2_乃x0.020l2x2.lxl()5L4x0.65第2l页共41页最大和最小机械传动刚度:Komax11/(*+1/勺+1/右11/102.5 + 1/556.25 + 1/760=77.7N/%K -=max 1/K,max +i/Kc+l/KB 1/666 + 1/556.25 + 1/760) = 84.65x(,77.7由于机械传动装置引起的定位误差据公式(3. 16)=0.7 jLtm 216.68

22、对于3级滚珠丝杠，其任意300mm导程公差为12;/m ,机床定位精度 0.024mm/300,所以，心 24x1/5 = 4.8加，可以满足由于传动刚度变化所引起的 定位误差小于(1/3-1/5)机床定位精度的要求。再加上闭环反响系统的补偿，定位精 度能进一步提高。(6)伺服电机计算扭矩的计算1)理论动态预紧转矩查表知3级滚珠丝杠 =0.9 ,而人=/ax / 3 = 1335.6/3 = 445.2(N加)由公式(3. 17)=(445.2 x10/2tt)x(1-0.92)/0.9x1 0-3= 0.15(Nm)2)最大动态摩擦力矩对于3级滚珠丝杠，AP = 40%,由式(3.18)Tp

23、 =(l + 40%)7；o =0.21(N加)max厂 U3)驱动最大负载所耗转矩由公式(3. 19)(=七浦c10一3/2巾= 1335.6xl0xl0-3 /(2x0.9)= 236(N机)4)支承轴承所需启动扭矩第22页共41页查轴承表：对于“20的轴承,其.=(M5Nm,那么 TB=Tbx +7；2 =0.15 + 0.15 = 0.3.m。5)驱动滚珠丝杠副所需扭矩=匐 +(+ 6)电机的额定扭矩鼠=(0.35 0.5)7;Tj =(5.748.2)Nm(7)电机的选择根据以上计算的扭矩及文献12,选择电机型号为SIEMENS的IFT5066,其额定转 矩为6. 7 Nm o3.

24、7机械局部改造(1)横向进给系统改造横向滚珠丝杠也采用一端固定，一端浮动，三点支承的形式，也通过双螺母螺纹预 紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，如图5所示。横向步进电机1及减速器2安装在床鞍 的后部。靠近操作者一端，布置一根支撑短轴11,通过套筒联轴器10与滚珠丝杠7连 接起来。右端仍利用原支承横向进给丝杠的滑动轴承支座作为径向支承，并对原支承处 作适当改造，布置一对推力球轴承12,以承受双向轴向力。左端那么将原车床的悬空结构 改为支承结构，用一个联轴套4和一根连接短轴6把滚珠丝杠7与减速器输出轴3连接 起来，并通过一对圆螺母5实现对整个丝杠的预拉伸和锁紧，以提高其轴向刚度。螺母 通过螺母座9直接

25、固定在中拖板8 o第23页共41页图5横向进给系统图L横向步进电机2.减速器3.减速器输出轴4.联轴套5.圆螺 母6.连接短轴7一横向滚珠丝杠8.中拖板9.螺母座10.套筒联轴器11.支撑短轴12.推力球轴承（2）纵向进给系统改造：纵向进给传动系统的改造如图2所示。纵向步进电机1通过一对减速齿轮2把动力 传递给纵向滚珠丝杠3，再由滚珠丝杠螺母副拖开工作台4做往复移动。原车床的进给 箱保存，滚珠丝杠左端仍然采用原固定支承结构，支撑轴6通过套筒联轴器5与滚珠丝杠 相连，这种联轴器用2个互相垂直的锥销将支撑轴与丝杠联接起来，结构简单，径向尺 寸小，可防止被连接轴的位移和偏斜带来的装配困难和附加应力。

26、如图3所示，滚珠丝杠 右端仍利用原有的滑动轴承承座4，通过一对深沟球轴承1实现径向支承，丝杠左端通 过一对圆螺母（图中未画出）实现滚珠丝杠的预拉伸和锁紧。因此纵向滚珠丝杠的支承 形式为一端固定，一端浮动，三点支承。滚珠丝杠采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和 螺母间的间隙，调整方便。步进电机通过消隙齿轮2减速，减速器输出轴用套筒联轴器 6与丝杠3 （见图2）联接，固定销3防止减速器转动。第24页共41页1.纵向步进电机2.减速齿轮3 .纵向滚珠丝杠4.工作台5套 筒联轴器6 ,支撑轴图3纵向步进电机装配图1.深沟球轴承2.消隙齿轮3.固定销4.滑动轴承支承座5.圆 螺母6.套筒联轴器8主轴脉冲编码

27、器的安装为了使改造后的车床能自动加工螺纹，必须配置主轴脉冲编码器作为车床主轴位置 信号的反响元件，其目的是用来检测主轴转角的位置,通过主轴f脉冲编码器f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2种方式：同轴安装；异轴安装。同轴安装的结 构简单,缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件，限制了零件的加工长度,因此， 宜采用异轴安装。主轴通过主轴箱中58P58和33P33两级齿轮（实现传动比1 :1）把动 力传递给挂轮轴X ,主轴编码器1通过支架2固定,并通过联轴器3与闷头4相连，闷头4 通过过盈配合与主轴箱内轴X连接，

28、如图6所示第25页共41页3.5步进电机的计算和选型：143.5. 1等效转动惯量计算：143. 5.2电机力矩的计算机： 153. 5.3步进电机空载启动频率和切削时的工作频率： 173.6纵向进给系统173. 6. 1设计参数183. 6.2齿轮传动比计算183. 6.3滚珠丝杠的计算及选择183. 6.4校核203. 7机械局部改造234. 8主轴脉冲编码器的安装25第四章数控系统选择264.1 西门子数控系统的优点264.2 数控连线图274.3 步进电动机的控制274. 3. 1步进电动机的开环控制284. 3. 2步进电动机传动控制295. 3. 3步进电动机的PLC传动控制315

29、.1 PLC数控系统需解决的问题335.2 PLC输入、输出（I/O）点数确定 355.3 驱动程序（梯形图）设计35第ni页共41页图6主轴编码器装配图LZXB_1型主轴编码器2 .固定支架3.N仁型联轴器4.闷头5.轴X第四章数控系统选择西门子数控系统的优点西门子数控系统具有优越的性能，设计中选择SINUMERIK 802D型号。其控制器：具有免维护性能的SINUMERIK 802D,其核心部件- PCU （面板控制单 元）将CNC、PLC、人机界面和通讯等功能集成于一体。可靠性高、易于安装;SINUMERIK802D 可控制4个进给轴和一个数字或模拟主轴。通过生产现场总线PROFIBUS

30、将驱动器、输 入输出模块连接起来；模块化的驱动装置SIM0DRIVE611Ue配套1FK6系列伺服电机， 为机床提供了全数字化的动力。通过视窗化的调试工具软件，可以便捷地设置驱动参数, 并对驱动器的控制参数进行动态优化；SINUMERIK802D集成了内置PLC系统，对机床 进行逻辑控制。采用标准的PLC的编程语言Micro/WIN进行控制逻辑设计。并且随机提 供标准的PLC子程序库和实例程序，简化了制造厂设计过程，缩短了设计周期。CNC功能：控制车床、钻铳床；可控制4个进给轴和一个数字或模拟主轴；三轴联 动，具有直线插补、平面圆弧插补、螺旋线插补、空间圆弧（CIP）插补等控制方式； 螺纹加工

31、、变距螺纹加工；旋转轴控制；端面和柱面坐标转换（C轴功能）；前馈控制、 加速度突变限制；程序预读可达35段；刀具寿命监控；主轴准停，刚性攻丝、恒线速 切削；FRAME功能（坐标的平移、旋转、镜象、缩放）操作单元：单色10. 4 TFT显示器，彩色为选件；全功能数控键盘具有水平安装方 式，和垂直安装方式；标准机床控制面板（选件）；三个手轮接口； RS232串行接口； 生产现场总线接口；标准键盘接口； PC卡插槽（用于数据备份和批量生产）第26页共41页操作与显示：带有8个水平软键和8个垂直软键的直观操作；对刀及刀具测量，工 件坐标系测量，基本坐标偏移；MDA方式端面加工；程序段搜索运行；坐标轴锁定、快 速空运行；后台编程；加工外部程序（通过串行接口）；示波器、袖珍计算器、和工件 计数器；两种语言在线切换；16种语言可选择安装；在线公英制切换；机床坐标系、 工件坐标系、和相对坐标系显示；加工轨迹实时显示（可识别快速和加工轨迹）；在线 帮助；有效G功能和M功能显示；坐标位置、余程以及各轴速度显示零件编程：标准G代码编程（DIN66025）和西门子高级语