普通车床数控改造(c6132).doc

题目四 C6132普通车床的数控改造设计
1. 设计目的：通过C6132普通车床的数控改造，使学生们掌握普通机床改造的方法，具有灵活运用相关知识的能力；
2. 设计内容及要求：C6132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。本设计任务是对C6132普通车床进行数控改造。利用微型计算机对纵、横向进给系统进行开环控制．纵向脉冲当量为0.01mm／脉冲．横向脉冲当量为0.005mm／脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。
3. 设计成果：
1）电动机的选取
2）相关硬件电路图

普通车床数控改造——C6132总体设计及横向进给设计

机械设计制造及其自动化
摘要
本次设计是对普通车床C6132的数控化改造。主要包括：主传动系统的改造、进给系统的改造、导轨和刀架的改造，以及控制系统改造。结果表明，改造后的车床具有自动化程度高、精度高等优点，并且降低了成本，提高了原机床的使用价值。
关键词：车床 数控改造 滚珠丝杠 数控系统
一、总体方案拟定
数控车床主要用于轴类、盘类零件的加工, 能自动完成外围柱面、内孔、锥面、圆弧面、螺纹等工序的粗细加工, 并能在圆柱面或端面上进行铣槽、钻孔、铰孔等工作, 可以实现回转体零件在预先加工好定位基面后, 一次装夹下完成从毛坯到成品的全部工序。因此能够极大的提高生产率。C6132车床主要用于对小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工。
数控车床的结构改造要求： 在改造中应尽可能保留原机床结构。主传动系统中保留主轴箱内滑移齿轮变速机构，取消原操作手柄，实现主轴的正反转及停止，改由数控系统直接控制主电机，当数控系统发出M03指令后，主电机正转，通过传动系统实现主轴正转。纵、横进给系统均采用交流伺服电动机。用滚珠丝杠螺母机构代替普通的滑动丝杠螺母机构,具有摩擦力小,运动灵敏, 无爬行现象, 也可以进行预紧, 以实现无间隙传动,传动刚度好,反向时无空程死区等特点。可提高传动精度。导轨需沿用原机床的导轨，但因起精度较低，不适合数控机床。因而在原导轨上粘接四氟乙烯软带使其有良好的耐摩性和较小的摩擦阻力，能预防爬行并具有自润滑性。将原刀架和小托板拆除，将车床刀架换为四工位电动刀架，将刀架调整好高度安装在中拖板上，由数控系统直接控制，减少辅助时间，提高效率。为保证加工螺纹时纵向进给运动与主轴的回转运动有严格的运动关系，需要在主轴尾部安装主轴脉冲发生器。主轴脉冲发生器与主轴同步旋转，同时发出与主轴转角相对应的脉冲信号，使数控系统控制刀架的纵向移动量。
二、主要改造内容
（一）、伺服控制系统的选择
因要求改造后的车床为经济型数控车床。所以在保证具有一定加工精度的前提下，从改造成本考虑。应简化结构，降低成本。可采以步进电动机为驱动装置的开环系统，但是考虑到加工精度的要求，应采用以伺服电动机为驱动的半闭环伺服系统。半闭环系统的环路短，刚性好，较容易获得较高的精度和速度，目前大多数数控机床都采用半闭环系统，而随着机电一体化技术的发展，伺服电动机生产厂家在生产中就把电机和检测元件直接安装在一起，形成成套的产品，极大的方便了用户，省去了安装调整误差。（半闭环控制系统如下图1所示）

检测器
执行件
伺服放大器
伺服电机
减速箱
脉冲指令
比较线路

图1 半闭环控制系统原理图

（二）、机械部分改造
1.床头箱部分
保留主轴箱内的滑移齿轮，取消操作手柄。将原床身的挂轮、进给箱及内部传动齿轮系统去除，其余部分保持不变。在该处安装纵向伺服电动机与齿轮减速箱总成。丝杠、光杠和操作杆（“三杆”）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原来装轴承座的部分。 并在主轴箱后端安装光电编码器。编码器的安装方式有两种，一种是安装，另一种是异轴安装。因为原机床主动挂轮与主轴传动比为1:1，所以可将编码器安装于原机床主动挂轮处。这种安装方式较简单，易安装。
2.进给系统（横向）的改造
将车床溜板箱拆除，在原处安装滚珠丝杠螺母座，丝杠螺母固定在其上。将横溜板中的普通丝杠、螺母拆除，在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副， 伺服电机与丝杠间采用一级减速器联接, 以缩小传动链, 提高系统刚度, 并减少传动链误差。横向伺服电动机与齿轮减速器总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠通过膜片联轴器相连。膜片联轴器的特点是易平衡，不需润滑。结构简单，有一定的补偿性能和缓冲性能。因其尺寸较大，故可将其放在减速箱内。
横向滚珠丝杠选择南京工艺装备公司生产的FFZL型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副。型号为FFZL2505-3【1】,其公称直径d0 =25mm、基本导程L0=5mm 。滚珠丝杠的支撑方式选用两端固定式，其传动精度高，并有较好的刚度。适合于距离不长的场合。滚珠丝杠需要预紧，其大小约为轴向力的三分之一。
减速箱齿轮传动初定传动比为2，可取Z1=24 则Z2=48,齿宽B=16.在设计齿轮传动时，为了提高传动精度，必须消除齿轮副的间隙。数控机床进给系统由于经常处于变向状态,反向时如果驱动链中的齿轮等传动副存在间隔,就会使进给运动的反向滞后于指令信号,从而影响其传动精度,因此24/48这一对齿轮还必须采取措施消除齿轮传动中的间隙,以提高数控机床进给系统的传动精度。齿轮间隙的调整采用圆柱薄片齿轮可调拉簧错齿法来实现,其结构如图2所示。

图2 齿轮间隙的调整结构图

图中,在2 个薄片齿轮1 和2 上装有螺纹的凸耳4 和8 ,弹簧的一段钩在凸耳4上,另一端钩在螺钉5 上。弹簧3 所受的张力大小可用螺母6 来调节螺钉5 的伸出长度,调整好后再用螺母7 锁紧。
在选择伺服电机时应考虑以下几点：a、惯量匹配，即0.25≤Jd/Jm≥1， 其中Jd为折算到到电动机的负载惯量，Jm为电动机转动惯量。b、转矩伺服电机的额定转矩必须满足实际需要，但是不需要留有过多的余量，因为一般情况下，其最大转矩为额定转矩的3 倍。c、短时间特性(加减速转矩)，工作负载转矩大于电动机加减速转矩。
根据以上原则，取电动机型号为1FT5066-0A01△【2】
3.导轨及刀架改造
因原机床的导轨精度不能满足数控机床的要求。但改造的原则是尽量保持原机床的部件。故只能将导轨加以利用。导轨表面贴塑的方法可使得导轨精度提高。因此可在导轨上加四氟乙烯软带。其特点是，摩擦系数低，运动平稳，可吸收震动，维修方便，损坏后更换容易。在本次设计中采用美国霞板公司研制的德尔赛塑料导轨软带。
数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。根据加工对象，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装四把、六把或更多刀具，并按数控装置的指令换刀。
回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时切削抗力和减少刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀架部要进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后具有高的重复定位精度（一般位0.001～0.005mm）
考虑经济性以及利于普通车床数控化改造，本设计采用四方回转刀架。并设计成螺旋升降式四方回转刀架。
(三)、数控系统的选择
机床数控系统(CNC系统)是数控机床的控制核心，随着机床数控技术的不断发展与进步，提高了数控机床的整体性能，尤其是它的加工精度和生产效率提高得更为显著，现在，数控机床已在机械工业生产中得到广泛应用。
目前市场上流行的数控系统，如FANUC、西门子、华中数控系统等，本设计为经济行数控车床，只要满足设计要求功能及精度即可。通过比较，国内的华中数控系统不仅能达到要求，并且价格便宜，是数控机床的改造的首选系统，根据功能要求，选择华中HNC-21TF型数控系统。
三、 结论
经过改造后的机床如下图所示，经过理论和实践证明改造后的车床不仅工艺范围广而且具有较高的自动化程度和精度，其理论定位精度可达到X轴0.020 mm，Z轴0.035 mm，重复定位精度X轴0.015 mm，Z轴0.020 mm。因此对普通机床进行数控化改造具有较高的经济性，提高了原机床的使用价值，符合我国国情。

图3 改造后车床外观图

参考文献
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