数控车床主轴加工工艺研究论文

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摘要:介绍了普通车床的数控改造条件,同时介绍了对CA6140车床的主传动系统和进给传动系统进行了数控化改造 的过程。改造后的数控车床的加工能力、自动化水平和加工精度明显提高。同时介绍了该车床机电联动调试的经验。 关键词:普通车床;数控改造 中图分类号: TG659 文献标识码: B 文章编号: 1001-3881 (2006) 4-208-2 企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,它必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前,采用先进的数控机床,已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的一条有效途径。我校为适应现代化生产和教学,对CA6140车床进行了数控化改造。 1 机床数控化改造的条件 1·1 机床基础件有足够的刚性 数控机床属于高精度机床,工件移动或刀具移动的位置精度要求很高,必须在0·001~0·01mm之间,高的定位精度和运动精度要求原有机床基础件具有很高的静刚度和动刚度。本次用于改造的CA6140车床自购进后一直保养良好,机床基础件刚性满足要求。 1·2 机床数控改装的总费用合适,经济性好 机床数控改装分两部分进行:一是维修机械部分。更换或修理磨损零件,调试大型基础零件,增加新的功能装置,提高机床的精度和性能,另一方面是舍弃原有的一部分进给系统,用新的数控系统和相应的装置来替代。改造总费用由机械维修和增加的数控系统两部分组成。若机床的数控改造的总费用仅为同类型车床价格的50% ~60%时,该机床数控改造在经济上适宜。经过考查,若购买同样配置的车床约需10万元,而我校机床数控改造的总费用为5·1万元,仅占51%,因此该机床数控改造在经济上是合适的。 2 系统配置及主要技术规格 该系统由SIEMENS 802S系统、接口电路、驱动线路及步进电机等组成,另外还配有自动转塔刀架、主轴变频调速器及主轴编码器等,系统属开环控制系统。其主要技术性能和参数如下: (1)系统控制部分。采用SIEMENS 802S系统,键盘和显示部分装在面板上。 (2)系统软件具有若干指令。其中加工指令有 直线、斜线、螺纹、锥螺纹和圆弧等5条指令。可实现车削外圆、端面、台阶、割槽、锥度、倒角、螺纹、顺圆弧和逆圆弧等操作。控制指令有结束循环、暂停、延时、延时换刀、编码换刀、通讯等,与加工指令配合,可加工出各种较复杂的零件。 (3)系统环境工作条件。温度-10~+40℃;湿度为40% ~80%。 (4)输入电网电压。交流(220±22)V;频率为50Hz;电流为1·5A。 (5)步进电机。BYG550C-2型电机两台,驱动电压为110V;相电流为2·5A;步距角为0·36°/步;静力距为12N·m。 3 主传动的数控化改造 机床主传动的作用是把电机的转速和转矩通过一定途径传给主轴,使工件以不同的速度运动,主传动性能的好坏,直接影响零件的加工质量和生产效率。考虑到改造的经济性,可乘用机床原有的普通三相异步交流电动机拖动。考虑到加工过程中当电网电压和切削力矩发生变化时,电机的转速也会随之波动,直接影响加工零件的表面粗糙度。因此为提高加工精度,实现主轴自动无级变速,在主轴上增加了交流异步电动机变频调速系统,从而不需进行机械换档。针对机床要求具有螺蚊切削功能,在主轴部位安装主轴脉冲发生器,如图1所示。为保证脉冲发生器与主轴等速旋转,即主轴转一周,主轴脉冲发生器也 图1 主轴脉冲发生器安装示意图转一周,主轴脉冲发生器的安装方式很重要。改装时,主轴传动必须经过原有CA6140车床主轴箱中58/58和33/33两级齿轮(实现1∶1)传递到原有CA6140车床的挂轮轴X,拆除挂轮留出空间,安装脉冲发生器,并用法兰盘固定。 4 进给传动的数控化改造 进给传动的作用是接受数控系统的指令,驱动刀具作精确定位或按规定的轨迹作相对运动,加工出符合要求的零件,对进给传动的要求是高精度、高速度。改造中我们采用步进电机驱动系统实现开环控 图2 进给传动系统制,这样结构简单,安装调试和维修都非常方便。 4·1 进给传动链 图2为普通车床改造后的进给传动链,刀具纵向(Z轴)移动由步进电机,经接口箱内一对减速齿轮,转动纵向移动的丝杆而实现。刀具的径向(X轴)移动由步进电机,经接口箱内一对减速齿轮,转动横向移动丝杆而实现,该传动链与原机床的传动链相比,摆脱了结构复杂的进给箱和拖板箱。 4·2 接口箱内减速齿轮的齿数比 该车床要求的控制精度为: Z向0·005mm, X向为0·0025mm,即当执行一个脉冲指令时,工件的长度和直径均变化0·005mm。BYG550C-2型步进电机的步距角为0·36°,每周步距数为360/0·36=1000(步/周), X向丝杠螺距为4mm,脉冲当量为0·0025mm,Z向丝杠螺距为6mm,脉冲当量0·005mm。按公式 主动轮齿数 从动轮齿数=步/周×脉冲当量丝杠螺距则X向:Z主/Z从=1000×2·5/4000=5/8Z向:Z主/Z从=1000×5/6000=5/6 4·2 接口箱内减速齿轮的齿数比 该车床要求的控制精度为: Z向0·005mm, X向为0·0025mm,即当执行一个脉冲指令时,工件的长度和直径均变化0·005mm。BYG550C-2型步进电机的步距角为0·36°,每周步距数为360/0·36=1000(步/周), X向丝杠螺距为4mm,脉冲当量为0·0025mm,Z向丝杠螺距为6mm,脉冲当量0·005mm。按公式 主动轮齿数 从动轮齿数=步/周×脉冲当量丝杠螺距则X向:Z主/Z从=1000×2·5/4000=5/8Z向:Z主/Z从=1000×5/6000=5/6 4·3 传动滚珠丝杠副 数控机床要求进给部分移动元件灵敏度高、精度高、反应快、无爬行,采用滚珠丝杠副可以满足上述要求。在结构中,用普通滚珠丝杠副实现将旋转运动变换为直线运动。滚珠丝杠螺母副安装时需预紧,通过预紧可消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙,提高传动刚度。预紧的方法是采用双螺母齿差调隙式结构(图3)。通过改变两个螺母的轴向相对位置,使每个螺母中滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现的。 图3 双螺母齿差调隙式结构 一般需要几次调整才能保证机床在最大轴向载荷下,既消除间隙,又能灵活运转。 4·4 刀架 根据需要,拆除原方刀架,安装620型四方刀架(图4)。该刀架由120W的三相交流异步电机正转驱动,使刀架正转选刀,到预定刀位时,电机则反转,使刀架夹紧。换刀方式有手控和机控两种。机控时当零件在加工过程中需要换刀时,数控系统发出预先编制好的换刀控制指令,控制器接到换刀指令时,立即驱动刀架回转。手控时,按动面板上的按钮,刀架能转一个刀位(90°),也可连续按动按钮,直至任一刀位。 5 机电联动调试 5·1 机械调试 丝杠上,侧母线和横、纵导轨的平行度误差控制在0·01mm/全长之内;转动丝杠,丝杠轴向窜动在0·01mm之内;丝杠螺母同轴度误差控制在0·01mm之内。 5·2 机电联动调试 (1)单坐标点动,主要调试其有无动作,运动方向是否符合要求,机械传动是否正常,有无不正常响声等。 1·上刀体 2·活动销 3·反靠盘 4·定轴 5·蜗轮 6·下刀体 7·螺杆 8·离合器盘 9·霍尔元件 10·磁钢 图4 四方刀架结构图 (2)点动合格后,做连续运动。反复多次,若出现故障或异常,排除后方可继续进行。 (3)先试Z坐标方向,后试X坐标方向,这是因为Z坐标方向调试方便。 (4)测量两坐标重复定位精度。在Z向坐标做连续移动时,若发现与丝杠相联的齿 额定转速: 2000r/min 额定输出功率: 2kW 编码器:绝对位置检测方式,分辨率1000000p/r 轴端形式:锥轴伺服放大器采用与电机配套的SJV2系列20型,其驱动能力为2kW。对于2kW电机,也可采用SJV2系列的10型放大器,但此时的输出扭矩要比20型减少1/3,不利于大功率切削。I/O设备选用型号为HR341的基本I/O单元,主要用于机床操作面板及与机床间的输入输出控制。另外附加一个远程I/ODX110,主要用于教学功能的“故障模拟设置”的输入输出。伺服及I/O单元连接原理图如图2所示。 图2 电气连接原理图 2·2·2 主轴控制 主轴电机采用交流变频控制电机,由变频器进行控制,转速范围60~6000r/min。模拟量由基本I/O单元的A0端口输出0~10V的直流电压,变频器根据输入的电压变化而输出相应的转速。由于模拟主轴电机没有编码器,因此在发出转速命令后,系统无法检测到主轴的是否运行。为解决这一问题,我们利用变频器上的功能端子,将其通过参数设置成“到达指令频率闭合”状态,并通过PLC检测此信号,从而实现对电机的运转进行监控。 2·3 教学功能的附加 本机改造后除保证加工功能和精度外,还要满足一定的教学功能。所谓的教学功能主要是针对学习数 控系统调试及维修人员而设立的附加功能。该功能通过参数设置及调整PLC程序人为地设置故障,让学生通过故障现象先判断故障种类,再分析故障产生的原因,直至排除故障。通过这种实训,学生可全面学习工业现场可能出现的故障现象,掌握故障排除方法,提高学生解决现场问题的综合能力。 3 结束语 我国现有机床中,近几年急需技术改造的约占25%,这将蕴藏着无限商机。机床改造主要是采用数控和计算机控制技术,我国数控机床发展和机床数控化改造应紧跟世界潮流,发展多轴联动数控系统,开发高速、高精度、高效加工中心等关键技术,向智能化方向发展

数控车床精度加工论文

[摘要]在数控机床生产加工中，精度控制对产品质量具有重要影响。

加工精度则由机床的精度、编程精度、伺服精度以及插补精度决定。

为提高机床精度，在其设计环节通过CAD设计和计算机模拟技术可以有效提高机床加工精度。

在使用过程中通过加强对机台的保养，保持良好状态，保持数控机床的高精度要求。

[关键词]几何精度 精度补偿 误差分析

1、数控机精度分析

目前对数控数控机床的分类主要包括集合精度、位置精度以及加工精度。

数控机床材质的刚度和工作时的温度，对机床的精度都会造成不同程度的影响。

将数控车床的几何精度继续细分有可以分成主轴几何精度和直线运动精度。

在数控机床加工运作的过程中主动轴与回转轴之间的相对位置应该是保持相对固定的，在实际生产的过程中与设计的情况是不完全相同的，两轴之间的相对空间位置也并非固定不变的，因为构成主轴的轴承零部件在其制造的环节中会出现不同程度的误差，在使用过程中又会受到温度、工作强度、润滑等条件的影响。

主动轴的轴承精度、主轴箱在装配是的质量都会造成主轴和其回转部件在运行是发生不平衡，另外主动轴的支承轴颈在制造过程中会存在圆度误差，其前后同轴度也会存在一定程度的误差，再加之主轴在运转的过程中都会受热发生形变，这些因素都对数控机床的主轴几何精度造成影响。

在数控机床除主动轴造成的几何精度之外，导轨因为摩擦力以及机床所用的伺服电机可能会存在惯量匹配问题会对机床的位置精度造成影响。

在数控机床中有部分需要不间断工作的部件如油缸油泵、电动机、液压机等，都需要长时间连续工作。

在它们运转的过程中因为摩擦会产生一定的热量，其内部零件会受热膨胀发生形变，造成构件的实际尺寸与设计尺寸有出入，零件的结构也会因内部热应的作用变的不对称，发生构件的形变，因此数控机床运转部件受热发生形变会对机床的位置精度带来重要影响。

数控机床的加工精度与上述两种精度不同，它是整台机床在各种因素综合影响下的结果，与机床的几何精度和位置精度是密切相关的，与机床的传动系统误差、检查校正系统误差、零件固定部件无擦、刀具位置的误差等都有关联。

而且数控机床的程序编辑是否正确、生产工艺是否合理对机床的加工生产的稳定型造成影响。

因此在实际生产中，为提高数控机床的加工精度就需要提高机床的几何精度和位置精度。

2、检测数控机床精度

数控机床与所有其他电器、机械设备相同，在使用一段时间后，都会面临电子元件老化、零部件生锈、机械部件磨损等情况。

因此为保持机床能够保持较好的状态，应定期对机床进行周期性的保养，对数控机床的精度进行检测和补偿。

2.1 检测几何精度

通常在加工中心机床的几何精度检测项目中，对直线运动轴的直线度检测项目所选用的工具是平尺和千分表，一般是测试运动部件在垂直于其运动轴的其他两个坐标轴上的线性偏差。

在一台常见的普通立式数控加工中心为例，对其集合精度的检测内容主要包括对机床工作台面的平面度，运动轴在空间坐标各方向移动的相互垂直度。

主轴在中心孔径向的跳动，主轴、回转轴轴心线与机床工作台面的垂直度。

机床运动轴在X、Y坐标方向移动时工作台面的平行度;X坐标方向移动时工作台面T形槽侧面的平行度;主轴箱在延z轴的坐标方向移动时的直线度以及与主轴的轴心线的平行度，主轴的轴向窜动等。

2.2 检测位置精度

数控机床所需要的定位精度可以分为定位精度、反向偏差精度和重复定位精度三项。

定位精度主要的内容指的是数控机床的工作台面或者机床的其他运动部件，在生产中实际的运动位置与程序指令位置相一致的程度;其不一致程度的差量就是定位误差。

在机床各系统中，伺服系统、检测系统、进给系统等的误差，以及运动部件导轨的几何误差都是造成定位误差的'重要因素，定位误差是会对机床加工零件的尺寸精度产生直接影响。

3、提高机床精度的措施

3.1 提高设计水平

目前我们大量使用的数控机床是以国产机床为主，机床的生产企业基本上的都具有部分的自主研发能力，可以自行设计、制造、改进产品的主体部分，机床的功能件部分人需外购。

闭眼机床局部因受力过大而造成较大变形，影响加工精度。

机床主动轴在使用过程中要受到耐磨性和温度升高的影响，因此对其温度特性进行优化设计可以有效的保持机床的加工精度。

通常在对主轴系统设计的是有，会将对机床加工精度造成较大影响的构件安装到一个与主动轴中心相交，而且与机床底座想垂直的安装面上，然后在主轴箱的两侧对称的安装其他构件，这样可以有效的改善机床因受热对加工精度。

3.2 提高机床几何精度

数控机床的几何精度能够对机床的生产精度起到决定性作用，因此在机床生产企业的设计中要能够合理的设定机床的工作精度，选择适合的加工负荷。

在机床加工零件的过程中，主轴轴颈与轴承发生的摩擦会使其温度升高，它与主轴箱的箱体孔的空间位置如果存在较大误差，会造成轴承滚到的变形，严重影响到轴承的旋转精度。

所以要严格控制主轴轴承的选配间隙。

数控机床在加工零件时长时间处于高负荷运转状态，通常机床制造企业会采用镶钢滑动导轨副结构来提高机床的刚性和精度。

该结构可以使数控机床具有最好的几何精度。

3.3 综合提高加工精度

数控机床从设计到制造、装配、使用值一个复杂的过程，对其加工精度的控制也是一个综合性的系统问题，不能仅仅依靠对某个或某几个量的控制来获取较高加工精度。

在生产制造环境，应充分考虑到制造工艺中会对机床精度造成影响的因素，消除铸造加工、机械加工对机床个构件引起的几何精度的改变。

然后通过对数控机床的数控系统进行补偿值的设定，可有效的提升机床的加工精度。

4、结束语

目前我们国内采用数控机床虽然比传统的加工机床有更高的加工精度，但是与世界先最先进的数控设备还有这很大的差距。

在现有的条件加，为提高机床的加工质量，保持更高的加工精度，需要对生产工艺精益求精，不断提高设计制作能力。

参考文献

[1]中华人民共和国国家标准GB/T16462-2007，数控车床和车削中心检验条件[S]