CA6140车床主轴箱的数控改造设计(cad图纸+说明书)

CA6140车床主轴箱的数控改造设计(cad图纸+说明书),ca6140,车床,主轴,数控,改造,设计,cad,图纸,说明书,仿单平原大学机电工程学院毕 业 设 计题目： CA6140车床主轴箱的数控改造 班 级：姓 名： 指导教师： 日 期： 2007 年 5 月 20日 平原大学机电工程学院目 录摘 要.2关键词.2第一章：前言.2一、数控机床的优点.3二、进行数控改造的必要性.3第二章：设计任务.4一、CA6140车床主传动变速箱结构分析.4二、驱动系统的.5（1）电机的选择.5（2）同步带的选择和校核.7（3）主轴组件的选择.10三、润滑系统.12四、数控系统的改造.13五、结束语.16六、参考文献.16CA6140车床主轴箱的数控改造 摘 要本文主要从CA6140车床主传动变速箱结构分析，以及主传动系统、主轴组件设计、润滑系统、数控系统的改造四个方面对CA6140车床主轴箱的数控改造。This text mainly from the CA6140 lather lord spread to move to become a box structure soon analytical, and the lord spread to move system, principal axis module a design, lubricate system and count to control reform of system 4 control a reformation to the number of the CA6140 lather principal axis box.关键词： 数控机床，数控改造， 主轴箱，步进电动机。Keywords: The number controls lather , numerical control reform , the main spindle box , step-by-step electric motor。第一章 前言机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。 数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。 一.数控机床的优点： 1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。 2. 加工精度高； 3. 生产效率高； 4. 减轻劳动强度，改善劳动条件； 5. 良好的经济效益； 6. 有利于生产管理的现代化。 二 .机床进行数控化改造的必要性 微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 第二章 设计任务论文（设计）主要内容及主要技术指标1.主要内容对CA6140车床主传动变速箱进行数控改造。研究内容包括CA6140车床头箱结构分析、步进电机选择、主轴结构设计、齿形带传动设计等。2.技术指标（1）主轴调速范围：02000r/min；（2）步进电机开环控制。对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 一、CA6140车床主传动变速箱结构分析主轴箱的结构分析机床主轴箱是一个比较复杂的传动件.表达主轴箱各传动件的结构和装配关系时常用展开图.展开图基本上 是按各传动链传递运动的先后顺序,沿轴心线剖开,并展开在一个平面上的装配图(如图1) ： 1花键套；2带轮；3法兰；4箱体；5钢球；6齿轮；7销；8、9螺母；10齿轮；11滑套；12元宝销；13制动盘；14制动带；15齿条；16拉杆17拨叉；18齿扇；19圆键；图1 CA6140型车床主轴箱展开图该图是沿轴IV一I一II一III(V)一VI一XI一X的轴线剖切面展开的。展开图把立体展开在一个平面上，因而 其中有些轴之间的距离拉开了。如轴IV画得III与轴V较远，因而使原来相互啮合的齿轮副分开了。读展开图时 ，首先应弄清楚传动关系。 1卸荷带轮电动机经皮带将运动传至轴I 左端的带轮2（见图1的左上部分）。带轮2与花键套1用螺钉连接成一体，支承在法兰3内的两个深沟球轴承上。法兰3固定在主轴箱体4上，这样带轮2可通过花键1带动轴I旋转，皮带 的拉力则经轴承和法兰3传至箱体4。轴I 的花键部分只传递转距，从而可避免因皮带拉力而使轴I产生弯曲变 形。这种带轮是卸荷的（既把径向载荷卸给箱体）。 一、 驱动系统：1电机的选择数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电动机。利用它可以组成一个简单实用的全数字化伺服系统，并且不需要反馈环节，所以在开环数控系统中获得了极其成功的应用。概括起来它具有如下特点：1） 送给步进电动机定子绕组一个电流脉冲，其转子就转过了一个角度，并称之为步距角2） 有脉冲就走，无脉冲则停。3） 脉冲数增加，角位移随之增加。4） 脉冲频率越高，电动机转速越高；反之则低。5） 脉冲频率变化太快，会引起失步或过冲。6） 改变分配脉冲的相序就可改变电动机旋转方向。7） 步进电动机运行状态是步进形式，故称之为步进电动机。8） 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式，古也称之为脉冲电动机。9） 输出转角精度也较高，并且一般只有相邻误差，而无积累误差。所以在本次改造中选用步进电动机作为主轴的驱动装置和进给驱动的装置。主传动系统图如图2所示图2 主传动系统图CA6140数控车床是我厂自行设计的经济型数控车床，主运动是由步进电动机经皮带轮传动至主轴。鉴于车床的特点，图3是本机床主轴要求的功率P、转矩T与转速n主的特性曲线，这个特性是以主轴的计算转速n计为分界的。从n计至最高转速nmax的区域a为恒功率区；从最低转速nmin至n计的区域b为恒转矩区。 图1 主轴功率转距与转速的特性曲线因为原CA6140车床的功率为7.5kw为了改进后功率与改进前功率相符。另原功率为P1，那么它的输出功率为： 33KW步进电动机的功率为:2=KW在这里我们选择步进电动机的步距角为2度，则为转子齿数 N为转子转过一个齿距需要的脉冲数步进电动机脉冲电源的频率为： 查机械零件设计手册得选用BF系列160BF5B-1.5/0.75的步进电动机一、同步齿形带的选择和校核 在车床改造时中，步进电动机与四缸传动副之间装有减速机构，通过减速机构可得到所需的脉冲当量和增大的驱动力矩。通常采用齿轮传动或同步齿形带传动机构。同步齿形带传动是一种新型的带传动，其利用同步带的齿型与带轮的轮齿传递运动，无相对滑动，无噪声，无需润滑，传动精度和效率高，同步带传动的带速高达4080m/s.传递功率可达100KW，传动比可达1020，传动效率98%。因此在这次数控改造中我们采用同步齿形带来传递运动。同步带传动的设计步骤为：（1）模数根据表1.表2 m=4（2）齿数 查表3选 （3）带轮节圆直径为： 同步带传动简图 （4）带速为： （5）中心距为： 则210a600取a=500（6）带长为： （7）小带轮啮合齿数： 则（8）带宽 图3同步带模数的选择同步带传动工作情况系数载荷性质一天运转时间/h16载荷平稳11.11.2载荷变动小1.21.41.6载荷变动大1.41.72 小带轮最小齿数小带轮转速n1(r/min)模数m/mm1.522.5,34571030001618202224传动比系数k1n1/n21/1.251/1.251/1.71/1.71/2.51/2.51/3.51/3.5k110.950.90.850.8聚氨酯同步带（强力层为钢丝绳）的质量和许用拉力模数m/mm1.522.5345单位宽度每米长度的质量182430354860单位宽度的许用拉力468101525同步带的齿数、长度和宽度齿数z模数m1.522.5345名义长度L35164.9219.2274.9329.940188.5251.3314.2377502.7628.350235.6314.2392.7471.2628.3785.460282.7377471.2565.5754942.570329.9439.8549.8659.7879.71099.680377502.7628.37541005.31256.690424.1565.5706.9848.211311413.7100471.2628.3784.4942.51256.61570.8宽度b83210151260126016802080宽度系列8、10、12、16、20、25、32、40、50、60、801、主轴组件的设计主轴在改造过程中还可以选用原来的主轴，因为主轴在精度、力学性能和经济性上都能满足改造后的要求。轴的支撑轴颈、配合轴颈是轴类零件的主要表面，它影响轴的旋转精度与工作状态。CA6140车床主轴支撑轴颈和配合轴颈的尺寸精度通常为IT69级公差，特别精密的轴颈为IT5级，甚至更高。在力学性能上由于主轴在工作时，应力集中在主轴心部，而CA6140车床主轴采用空心形状大大减小了应力的集中，使轴的刚度有很大提高。主轴支撑是主轴组件的重要组成部分，主轴支撑是指主轴轴承、支撑座及其相关零件的组合体，其中核心元件是轴承。滚动轴承的主要优点是适应转速和载荷变动的范围大；能在零间隙或负间隙条件下稳定运转，具有教高的旋转精度和刚度；轴承润滑容易，维修、供应方便，摩擦因数小等。主轴悬伸量的确定。主轴悬伸量a是指主轴前支撑径向支反力的作用点到主轴前端面之间的距离，它对主轴组件刚度影响较大。根据分析和试验，缩短伸量可以显著提高主轴组件的刚度和抗振性。因此，设计时在满足结构要求的前提下，尽量缩短悬伸量a。前轴径 后轴径根据结构定悬伸长a=115mm(1) 求轴承刚度 主轴最大输出转矩=9550=1260.6Nm床身上最大加工直径约为最大回转直径60即：240mm故半径为0.12m=10505N=0.5 =5252.5N故总切削力为F11745N先暂取初值为： =2.5即暂取的初值为2.5115287mm前后支撑支反力和分别为：F=1N=F=11754N取前后支撑刚度为1530Nm =1030 Nm(2) 求悬体跨距=1.495初算时可假设主轴当量外径D为前后轴颈的平均值，即： D （115+80）2=98mm故惯性矩为： I 则 查下图得 /a值与原假设值相近，符合要求。图4 主轴最佳跨度计算线图查机械设计手册得所选的轴承为6020深沟球滚动轴承、6018深沟球滚动轴承、6015深沟球滚动轴承三种类型如图5： 图 5 改造后主轴图 滚动轴承三、润滑系统油气润滑方式 这种润滑方式不同于油雾润滑方式，油气润滑是用压缩空气把小油滴送进轴承空隙中，油量大小可达最佳值。压缩空气有散热作用，润滑油可回收，不污染周围空气。油气润滑原理图如图6：1.吸油管2、7、9.螺母3.管接头4.偏心套5.定子 6、10.润滑油管8.三通管接头11.转子12.叶片13.回油管图6 油气润滑原理图 根据轴承供油量的要求，定时器的循环时间可从199min定时,两位两通气阀每定时开通一次,压缩空气进入注油器,把少量油带入混合市,经节流阀的压缩空气,经混合室把油带入塑料管道内,油液沿管道壁被风吹入轴承内,此时形成小油滴状.三、数控系统的改造数控在广义上讲是指利用数字化信息实行控制，也就是利用数字控制技术实现的自动控制系统，其被控对象可以是各种生产过程。从狭义上讲是利用数字化信息对机床轨迹和状态实行控制。任何生都有一定的过程。采用数字控制技术，生产过程被某种语言编写的程序来描述，以数字形式送入计算机或专用控制装置；利用计算机的高速数据处理能力，识别出该程序描述的生产过程，通过计算机和处理将此程序分解为一系列的动作指令，输出并控制生产过程中相应的执行对象，从而可使生产过程能在人不干预或少干预的情况下自动进行，实现生产过程自动化。数控系统一般由输入/输出装置、数控装置、伺服系统（驱动控制装置）、机床电器控制装置四部分组成，机床本体为被控对象，如图7：图 7数控系统是严格按照外部输入的程序对工件进行自动加工的。输入装置将数控加工程序等各种信息相互如数控装置，输入的内容及数控系统的工作状态可以通过输出装置观察。常用的输入/输出装置有纸带阅读机、盒式磁带录音机、磁盘驱动器、通信网络接口、CRT及各种显示器件等。数控装置是数控系统的核心。它的主要功能是：正确识别和解释数控加工程序，对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，完成各种输入、输出任务。其形式可以是由数字逻辑电路构成的专硬件数控装置或计算机数控装置。前者称为硬件数控装置，或NC装置，其数控功能由硬件逻辑电路实现；后者称为CNC装置，其数控功能由硬件和软件共同完成。数控装置将数控加工程序按两类信息分别输出：一类是连续控制量，送往驱动控制装置；另一类是离散的开关控制量，送往机床电器逻辑控制装置。伺服系统（驱动控制装置）位于数控装置和机床本体之间，包括进给轴伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置。进给轴伺服驱动装置由位置控制单元、速度控制单元、电动机组成，它按照数控装置发出的位置控制命令和速度控制命令正确驱动机床受控部件的移动。主轴驱动装置主要由速度控制单元组成。机床电器控制装置也位于数控装置和机床之间，接受数控装置发出的开关命令，主要完成主轴选速、起停和方向控制功能。其形式可以是继电器控制线路或可编程逻辑控制器（PLC）。计算机数控系统由硬件和软件共同完成数控任务，因此，其组成形式更加灵活。计算机数控系统的基本组成如下图所示，它具有数控系统一般组成形式的各个部分。此外，现代数控装置不仅能通过读取信息载体方式，还可以通过其他方式获得数控加工程序。数控机床伺服系统分为开环数控系统，全闭环数控系统和半闭环数控系统三类。其中开环数控系统只有前向通道，没有反馈通道，控制简单，调试维修方便，价格比较低廉，在国内被广泛应用于经济型数控系统和普通机床数控改造过程中。所以在这次数控改造中我们优先选择这类数控伺服系统。开环数控系统不带检测装置，也无反馈电路，一般以步进电动机作为执行元件，其框图如下图所示数控装置输出的指令进给脉冲竟驱动电路功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依次通电/断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机旋转，再经过机床传动机构带动工作台移动。数控车床与普通车床最大的不同在于其各部分之间的连接不仅依靠机械机构，而且还要依靠电气装置。 图 9结束语：这次的毕业设计是大学3年中的最后一个环节，是对3年的学习生活中所学的知识一个汇总和概括，使我们每个人都能了解自己学道了什么，理解多少，会运用多少，还有多少知识不了解，需要进一步了解，加深理解，所以，在以后的工作中，继续学习和加深。在此我非常感谢徐老师在设计过程中对我的指导和帮助。 由于是第一次做毕业设计难免有所不足之处，还望老师谅解。参 考 文 献1.陈立德 . 机械设计基础. 北京， 高等教育出版社20042.汪木兰. 数控原理与系统. 北京， 机械工业出版社20053.文怀兴 夏田 . 数控机床系统设计. 北京，化学工业出版社20054.梁炜 杨后川 . 机床数控技术及应用. 北京， 机械工业出版社20055.吴宗泽 罗圣国 . 机械设计课程设计手册. 北京， 高等教育出版19996.王启义. 机械制造装备设计. 北京，冶金工业出版社2002 7.殷育平. 数控机床. 北京，机械工业出版社，2000 17