普通车床(C616)改装成经济型数控车床.doc
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1、C616型普通车床改造为经济型数控车床目录摘要-3第一章、 课题研究意义及目的-4(一) 数控机床与数控技术-7(二) 设计方案的目的及应用-8第二章、机械部分的改造与设计-9 (一)数控系统硬件电路设计-12(二)纵向进给系统的设计与计算-12(三)横向进给系统的设计与计算-15第三章、步进电机的选择-23(一)步进电机选用的基本原则-23(二)步进电机的选择-25第四章、机床导轨改造-26第五章、自动转位刀架的选用-27第六章、经济型数控机床改造时数控系统的选用-28第七章、典型零件的工艺设计及应用程序的编制-29 (一)工艺分析-30(二)工作坐标系的设定-30(三)手动钻孔-31(四)
2、编制加工程序-3小结-33致谢-34参考文献-34附件-1摘要 经济型数控车床是指价格低廉、操作使用方便,适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化车床。在我国,经济型数控车床因其价廉而得到广泛的应用。中小型企业为了发展生产,常希望对原有旧车床进行改造,实现数控化、自动化。经济型数控车床系统就是结合现实的生产实际,结合我国国情,在满足系统基本功能的条件下,尽可能降低价格。价格便宜,性价比适中是其主要特点,特别适合在设备中占用较大比重的普通车床改造,适合在生产第一线大面积推广。企业应用经济型数控系统对设备进行改造后,将提高产品加工精度和批量生产能力,同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属
3、性,提高设备自身对产品更新换代的应变能力,提高企业的竞争力。利用计算机改造现有的普遍车床,主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位,进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给加工车床,即经济型数控车床。 进行数控机床的改造是非常有必要的。数控机床可以很好地解决形状复杂、精密、小批量及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产效率,但是数控机床的运用也受到其他条件的限制。如:数控机床价格昂贵,一次性投资巨大等,因此,普通车床的数控改造,大有可为。它适合我国的经济水平、教育水平和生产水平,已成为我国设备技术改造主要方向之一。关键词:普通车床 ,经济型数控车床, 中小企
4、业, 计算机 第一章(一)课题的研究意义和内容: 整个人类社会的文明史,就是制造技术不断演变和发展的历史。任何国家的制造业都是国民经济的基础产业,也是国民经济的主要来源。没有发达的制造业,就不可能有国家真正的繁荣和强大。制造技术是制造业的技术支柱,是一个国家科技水平、综合国力的重要体现,制造技术的发展是一个国家经济增长的根本动力。而制造业中机床是其基础装备。我国是一个机床大国,有三百多万台普通机床。但机床的素质差,性能落后,单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右,差距太大,急待改造。旧机床的数控化改造,顾名思义就是在普通机床上增加计算机控制装置,使其具有一定的自动化能力,以实现预定的
5、加工工艺目标。随着数控机床越来越多的普及应用,数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中,机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床,并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限,国家大,机床需要量大,因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床,而我国的旧机床很多,用经济型数控系统改造普通机床,在投资少的情况下,使其既能满足加工的需要,又能提高机床的自动化程度,比较符合我国的国情。1984年,我国开始生产经济型数控系统,并用于改造旧机床。到目前为止,已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料,今后机床的经济型数控化改造将迅
6、速发展和普及。(二)数控机床和数控技术数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益,显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用,并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控技术及数控机床的广泛应用,给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。数控机床是现代加工车间最重要的装备。它的发展是信息技术(1T)与制造技术(MT)结合发展的结果。现代的CAD/CAM、FMS、CIMS、敏捷制造和智能制造技术,都是建立在数控技术之上的。掌握现代数控技术知识是现代机电类专业学生必不可少的。在数控加工中,从零件的设计图纸到零件成品
7、合格交付,不仅要考虑到数控程序的编制,还要考虑到诸如零件加工工艺路线的安排、加工机床的选择、切削刀具的选择、零件加工中的定位装夹等一系列因素的影响,在开始编程前,必须要对零件设计图纸和技术要求进行详细的数控加工工艺分析,以最终确定哪些是零件的技术关键,哪些是数控加工的难点,以及数控程序编制的难易程度。零件的数控加工工艺分析是编制数控程序中最重要而又极其复杂的环节,也是数控加工工艺方案设计的核心工作,必须在数控加工方案制定前完成。一个合格的编程人员对数控机床及其控制系统的功能及特点,以及影响数控加工的每个环节都要有一个清晰、全面的了解,这样才能避免由于工艺方案考虑不周而可能出现的产品质量问题,造
8、成无谓的人力、物力等资源的浪费。全面合理的数控加工工艺分析是提高数控编程质量的重要保障。 数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一。数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。通过数控加工程序的运行,可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切削加工,并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。(三)数控机床特点数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成,它是数控机床的大脑。与普通机床相比,数控机床有如下特点: 1.加工精度高,具有稳定的加工质量; 2.可进行多坐标的联动,能加工形状复杂的零件; 3.加工零件改变时,一般只需要更改数控程序,可节省生产准备时间;4.机床本身的精度高、刚
9、性大,可选择有利的加工用量,生产效率高(一般为普通机床的35倍);5.机床自动化程度高,可减轻劳动强度;6.对操作人员素质要求较高,对维修人员要求技术更高。6.1数控装置,是数控机床的核心,包括硬件(印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等)以及相应的软件,用于输入数字化的零件程序,并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 6.2驱动装置,他是数控机床执行机构的驱动部件,包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时,可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。 6.3辅助装置,指数
10、控机床的一些必要的配套部件,用以保证数控机床的运行,如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、 排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头,还包括刀具及监控、检测装置等。 6.4编程及其他附属设备,可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 (三) 、数控机床的发展电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高,促进了数控机床产业的蓬勃发展,也促进了现代制造技术的快速发展。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了长足的进步。现代制造业正在迎来一场新的技术革命。数控系统未来分以下几个发展方向方向:1数控
11、系统向开放式体系结构发展2数控系统向软数控方向发展3数控系统控制性能向智能化方向发展4数控系统向网络化方向发展5数控系统向高可靠性方向发展6数控系统向复合化方向发展7数控系统向多轴联动化方向发展四、设计方案的目的及确定用数控技术对C616车床进行改装,不仅可提高机床精度,提高生产率,大大减轻工人劳动强度,减少对工夹具的投资和数量,而且适合我国国情。C616型车床是一种加工效率高,操作性能好,社会拥有量大的普通车床。实践证明,把这种车床改造为数控车床,已经收到了良好的经济效果。课程设计 是一个实践性很强的环节,是诸多实践教学环节的最后一环,是培养学生理论联系实际、解决生产实际问题能力的重要步骤。
12、 机电一体化专业课程设计是以机电一体化的典型产品-数控机床的应用与设计为主线,进行一次所学机、电知识有机结合的全面训练。从而培养学生具有加工编程能力、绘图能力、机械传动机构设计计算能力以及分析和处理生产中所遇到的机、电方面技术问题的能力。第二章机械部分改造与设计 1. C616的机械改装对C616的机械改装主要在主传动系统、进给系统和刀架部分。 主传动系统改装 为提高机床的自动化程度,实现在加工过程中自动变速,对原C616主传动系统作如下改装: 取消原变速箱,将主电机换成四速异步电机; 保留原主轴箱内的背轮机构。 图表 1采用多速电机改装后主传动系统示意图通过微机控制多速电机变速和手动控制背轮
13、机构变速,使主轴获得高、低两档共8级转速,其中每档有四级转速可以机床加工过程中自动变换。 进给系统的改装 改装后为保证较高的传动精度和传动效率,采用结构简单、步距均匀、连续性好且易于数控的步进电机,经齿轮传动驱动滚珠丝杠实现进给。 滚珠丝杠选用单圆弧滚道截面,外循环方式、精度选F级。 为了在齿轮传动中消除间隙,实现微量自动补偿以提高传动精度,选用双片薄齿轮调隙、可调拉簧式结构。刀架部分 刀架部分是机床的重要功能部件,对其进行改装主要是为了实现多刀夹持,自动转位。将原刀架改为常州武进机床数控设备厂生产的LD4-I型四工位自动刀架。该刀架具有重复定位精度高、刚性好、使用寿命长、工艺性好等特点。主轴
14、脉冲发生器 为保证车螺纹时严格的运动关系,在主轴箱上安装GD7072光电脉冲发生器,通过主轴脉冲发生器数控系统步进电机的信息转换系统,实现主轴转一圈,刀架纵向进给一个螺纹导程的车螺纹运动。2. C616的数控系统采用南京微分电机厂生产JWK-15T型数控系统。该系统由TP8031单板机、驱动电源装置及110BF003型、110BC380B型功率步进电机等组成开环控制系统。 主要技术特性: 可控制车削端面、内外圆、任意锥面、螺纹、球面以及用球面逼近的任意曲面; 有17档进给速度; 有直线、圆弧插补功能,程序中可给出一定延时; 有自动循环,间隙补偿、程序暂停、点动、报警功能,还具有对自动刀架转位及
15、主轴正、反转、变速、停止等装置控制功能3数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础,性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件,软件才能有效的运行。再设计的数控装置中,CPU是关键。在我国,普通机床数控改造方面应用较普遍的事MCS-51系列单片机。主要是因为它的配套芯片便宜,普及型、通用性强。制造和维修方便,完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中世以MCS-51系列单片机,51系列相对48系列指令丰富,相对96系列价格便宜。本设计以8031为核心,增加储存器扩展电路,接口和面板操作开关组成的控制系统。图表 2 C616卧式车床简图C61
16、6车床的主轴转速部分保留原机床的功能,即手动变速。车床的纵向(Z轴)和横向(X轴)进给运动采用步进电机驱动。由8031单片机组成微机作为数控装置的核心,由I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动,经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动,从而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制的经电机驱动的自动控制的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能,必须安装主轴脉冲发生器,为此采用主轴靠同步齿行带使脉冲发生器同步旋转,发出两路信号:每转发出的脉冲个数和一个同步信号,经隔离电路以及I/O接口给微机。图表 3 经济型数控车床总体方案4.纵向进给系统的设计计算 经济型数控车床的改造一般是步进电机经减
17、速驱动丝杠,螺母固定在溜板箱上,带动刀架左右移动。步进电机的布置,可放在丝杠的任意一端。对车床改造来说,外观不必象产品设计要求那么高,而从改造方便、实用方面来考虑,一般把步进电机放在纵向丝杠的右端。 已知条件: 工作台重量: W=80kgf=80N(根据图纸粗略计算)时间常数: T=25ms滚珠丝杠基本导程:L0=6mm行程: S=640mm脉冲当量: p=0.01mm/step步距角: =0.75/step快速进给速度: Vmax=2mm/min(1)切削计算 由机床设计手册可知,切削功率Nc=NK式中 N电机功率,查机床说明书,N=4KW; 主传动系统总效率,一般为0.60.7取=0.65
18、; K进给系统功率系数,取为K=0.96。则: Nc=40.650.96=2.496KW又因为 NC= FZ=所以 式中 v切削线速度,取v=100m/min。主切削力 FZ =152.76(kgf)=1527.6(N)由金属切削原理可知,主切削力 FZ=CFz apx Fz fYFz KFz查表得: CFz=188kgf/mm21880Mpa XFz=1 YFz=0.75 KFz=1则可计算FZ 如表(1)所示: 表(1) FZ计算结果ap(mm)222888f(mm)0.20.30.40.20.30.4FZ(N)112515241891168722872837当FZ=1520N 时,切削深
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