CDL6136普通车床的经济型数控化改造 (2)Word下载.docx
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TheeconomicalNumericalcontrolinnovationofCDL6136commonlathe
Candidate:
SunJianhua
Supervisor:
Prof.GongHaixia
AcademicDegreeAppliedfor:
MasterofEngineering
Specialty:
MechanicalEngineering
DateofSubmission:
September,2012
DateofOralExamination:
November,2012
University:
HarbinEngineeringUniversity
哈尔滨工程大学学位论文原创性声明
本人郑重声明:
本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人独立完成的。
有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。
除文中已注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者(签字):
日期:
年 月 日
学位论文授权使用声明
本人完全了解学校保护知识产权的有关规定,即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。
哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。
本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索,可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文,可以公布论文的全部内容。
同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。
涉密学位论文待解密后适用本声明。
本论文(□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。
导师(签字):
日期:
年月日 年月日
摘 要
数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床。
机床具有广泛的加工工艺性能,尤其在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。
CDL6136普通车床是我国各大工厂中较为常用的一种普通车床,具有价格便宜,便于操纵等特点,但是与数控机床相比,其加工零件的精度和效率就有了明显的不足,为了提高机床加工精度和生产效率,降低工人的劳动强度,节约购买新型数控机床成本,本课题以CDL6136普通车床为研究对象,对该机床进行了经济型数控化改造。
主要研究内容如下:
首先,了解了国内外机床数控化改造现状以及数控化改造技术的发展趋势,根据实际需要,对CDL6136普通车床原有结构进行系列化的改造。
对其数控系统进行选型,对机床的主传动系统、进给系统以及刀架部分进行设计,对机床控制系统进行设计。
其次,对于机床上机床主轴、进给系统中滚珠丝杠副等复杂机构,利用ANSYS进行有限元计算。
为了更好的进行优化设计与研究,并利用ADAMS软件对于改造后数控机床的进给系统进行仿真研究。
通过ANSYS有限元计算及ADAMS软件进给系统进行的静力学、运动学和动力学分析,并输出位移、速度、加速度和反作用力曲线,最终使得数控化改造设计方案更加合理、加工效率更高。
最后,依据FANUC系统编程语言,对机床数控改造后的功能进行了加工编程验证。
通过对42×
16飞轮的加工、椭圆的加工、50×
33轴套的加工,有效的证明了CDL6136普通车床数控化改造目标的实现。
机床通过进行数控化改造,此车床不仅可以满足对普通的外圆以及端面进行切削,而且可以满足较为复杂的曲面零件的切削,大大的提高了曲面的加工尺寸精度和表面质量。
同时也降低了机床操作人员的劳动强度,提高生产效率,最终达到改造目的和使用要求。
关键词:
普通车床;
数控化改造;
滚珠丝杠副;
有限元分析;
ADAMS仿真
Abstract
TheCNClatheisahighprecision,high-efficiencyautomaticmachine,withawiderangeofprocessingperformance,especiallyinthebatchproductionforcomplexparts,ithaveagoodeconomiceffect.
CDL6136ordinarylatheisusedaconventionallathelargefactoriesinChina,withacheap,easymanipulationfeatures,butcomparedwiththeCNCmachinetools,precisionmachinedpartsandefficiencyhaveobviousdeficiencies,inordertoimprovemachinemachiningaccuracyandproductionefficiency,reducelaborintensity,savingtobuyanewCNCmachinetoolscost,subjectCDL6136ordinarylathe,themachinetoolsforthetransformationofeconomicNC.Themaincontentsareasfollows:
First,understandthetheCNCtransformationstatusquoathomeandabroadaswellasthetransformationofNCtechnologytrends,accordingtoactualneeds,theserializationofthetransformationoftheoriginalstructureofCDL6136ordinarylathe.ItsCNCsystemselection,themaintransmissionsystemofthemachine,thefeedsystemaswellastheturretpartdesign,designofPLCCNCmachinetools.Secondly,forthemachinetoolspindlemachine,feedingtheballscrewandcomplexorganizationsystem,usingANSYSfiniteelementcalculation.Inordertobetteroptimizethedesignandresearch,andADAMSsoftwareforthesimulationofCNCmachinetoolfeedsystemaftertransformation.ANSYSfiniteelementcalculationoffeedandADAMSsoftwaresystemstatics,kinematicsanddynamicsanalysisandoutputdisplacement,velocity,accelerationandreactionforcecurve,ultimatelymakesthetransformationofNCdesignmoreefficientprocessing.
Latheprogramminglanguage,basedFANUCCNCtransformationfunctionprocessingprogramverification.Effectiveprocessingof42×
16flywheelmachining,oval,50×
33bushesprocessingprovedCDL6136ordinaryNClathegoals.MachinethroughthetransformationofNClathenotonlymeettheordinarycylindricalendfacecuttingandcuttingtomeetthemorecomplexsurfaceparts,greatlyimprovethesurfaceprocessingdimensionalaccuracyandsurfacequality.Alsoreducesthemachineoperator'
slaborintensity,improveproductionefficiency,andultimatelyachievethetransformationofthepurposeanduserequirements.
Keywords:
Numericalcontrolinnovation;
Commonlathe;
Ballscrewassembly;
Finiteelementanalysis;
ADAMSsimulation
目 录
第1章绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2国内外相关领域研究现状 2
1.2.1国外机床数控化改造研究现状 2
1.2.2国内机床数控化改造研究现状 2
1.2.3常用数控系统 3
1.3机床的数控化改造内容 6
1.3.1机床的数控化改造主要内容 6
1.3.2数控化改造技术的发展趋势 6
1.4本论文的研究内容 7
第2章CDL6136普通车床经济型数控化改造设计 9
2.1引言 9
2.2CDL6136普通车床经济型数控化改造总体设计方案 9
2.2.1改造前CDL6136普通车床现状 9
2.2.2普通车床数控化改造后性能指标 9
2.2.3总体设计方案 10
2.2.4主要工作内容 11
2.3数控系统设计 12
2.3.1机床各坐标轴的定义 12
2.3.2合适的数控系统的选择 13
2.3.3基本编程指令设计 13
2.4主传动和进给系统改造设计 17
2.4.1主传动系统改造设计 17
2.4.2进给系统改造设计 20
2.4.3刀架部分改造设计 31
2.5基于PLC的数控系统电气控制 34
2.5.1FANUC系统的PLC特点 34
2.5.2PLC电气控制设计 34
2.6本章小结 36
第3章关键部件有限元分析和仿真研究 37
3.1引言 37
3.2有限元分析 37
3.2.1有限元分析特点及步骤 37
3.2.2机床主轴有限元分析 38
3.2.3滚珠丝杠螺母副有限元分析 40
3.3进给系统仿真研究 44
3.4本章小结 44
第4章改造后车床精度恢复改进 45
4.1引言 45
4.2改造后车床精度恢复改进 45
4.2.1机床加工精度的改良 45
4.2.2影响机床精度的因素及其调整 46
4.3本章小结 51
第5章机床改造后的试验验证 52
5.142×
16型飞轮加工编程案例 52
5.1.1工艺分析 52
5.1.2加工步骤 52
5.1.3加工程序 52
5.2宏程序加工编程案例 55
5.2.1基本情况叙述 55
5.2.2加工程序 57
5.3蜡台杆加工编程案例 58
5.3.1工艺分析 58
5.3.2加工步骤 58
5.3.3加工程序 60
5.4本章小结 63
结 论 64
参考文献 65
致 谢 68
第1章 绪论
1.1课题研究的背景及意义
第1章绪论
7
机械制造业是提高国民经济建设的重要基础产业,而机床是发展机械制造业必不可少的生产工具。
我国机械制造业与欧美等发达国家相比总体水平较低,通过提升制造业的装备水平,能够有效的提高加工产品的质量、降低产品成本,增强市场竞争力。
随着我国市场经济的发展,市场竞争日益激烈,产品更新更为迅速,中、小批量的生产越来越多。
企业要在当前市场需求多变,竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速的更新和开发出新产品,以最低的价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。
显然普通机床已经不能适应这种市场的需求。
在1952年,美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床,可以说数控机床的产生是机械制造业中的一次质的飞跃,新研发出来的数控机床与普通机床相比较具有很多特点:
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加工程序,可节省生产准备时间;
④机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量,生产率高(一般为普通机床的
3~5倍);
⑤机床自动化程度高,可以减轻劳动强度。
在我们国家,有很多的大、中型企业所使用的机床还都是普通机床,如果淘汰大量的普通机床,而去购买昂贵的数控机床,势必造成巨大的浪费,而且许多中、小型企业必将难以承受,而普通机床的数控化改造同购置新的数控机床相比,一般可以节省60%~80%的费用,改造费用低、交货期短,特别是大型、特殊机床尤其明显。
因此,普通机床的数控化改造对于我国来说尤为重要。
图1.1 XK5040a铣床数控化改造
图1.2 普通卧式车床的数控化改造
1.2国内外相关领域研究现状
1.2.1国外机床数控化改造研究现状
数控机床的使用在现代制造业中处于一个相当重要的位置,它的发展不仅是我国制造业的重要基础,并且是我国国民经济的重要基础。
因为一切高端技术的研究与生产都离不开制造业的支持,而数控机床在制造业中无疑处于一个高端的领域,数控机床的加工效率及加工精度对于世界制造业来说都占据着不可或缺的位置。
由于目前世界大部分国家的机床都还是以传统机床占主导地位,如果全部购买并更换为数控机床,费用不菲,所以当今世界上的德国、美国和欧洲各国等发达国家除了进行新型数控机床的研发以外,还把目光放在了普通机床的数控化改造上,并且把机床改造作为一行新的行业来带动经济的增长。
在国外有很多从事机床改造业的公司,如德国的Schiess公司,美国的Bertsche工程公司、ayton机床公司等等,在日本的岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、大限公司集团、山本工程公司等[48]。
1.2.2国内机床数控化改造研究现状
目前,对于中国的制造业来说,我国现有机床大部分还都是传统机床,与世界发达国家相比较来说,尚且处于一个比较落后的水平,所以,机床数控化改造业对于我们中国来说,可行性更高。
机床改造技术愈加的成熟,意味着我们将会用愈少的资金来更大
的提高我国的生产力水平。
我国目前机床总量380余万台,而其中数控机床总数只有
11.34万台,即我国机床数控化率不到3%。
所以机床数控化改造行业在中国势在必行。
目前,中国已有很多公司对此展开了大量的工作。
如:
国防科技工业发展普通机床数控化改造“十五”期间计划改造1.2-1.6万台。
改造后生产率提高约3倍,加工精度提高20%,与新购设备相比可节约资金50%以上。
中国三江航天集团对具有改造价值的109台普通机床进行了数控化改造,取得了良好的效果。
中国兵器工业集团西南自动化研究所积极开发普通机床数控化改造技术,累计完成普通机床数控化改造2000余台[48]。
1.2.3常用数控系统
1、德国SIEMENS数控系统
该系统是一个集成数字控制器,可编程控制器,人机操作界面等控制系统元件于一体的控制系统。
西门子公司最新研发的可分布式安装驱动技术,以简化系统结构为目的,利用DRIVE-CLiQ接口可最多连接6轴数字驱动,利用现场控制总线PROFIBUSDP连接外部设备。
西门子公司最新驱动技术的研发,大大的简化了安装步骤,使得连接只需几根连线就能完成安装。
德国西门子系统是我国国内比较常用的一种数控系统,其系统类型有很多,目前,在我们国内比较常用的数控系统有802S、802C、802D、810D、840D、840C等几种类型。
常用德国SIEMENS数控系统如表2.1所示:
表2.1德国SIEMENS主流数控系统对照表
802S
802C
802D
810D
840D
840C
进给轴/主轴
3/1
4/1
6/1+1
6/6
驱动系统
步进驱动
611A/U
611U
611D
插补轴
3
4
5
通道
1
2
6
PLC编程
S7-200
S7-300
S5135WB2
龙门同步轴
NO
YES
HMI硬盘
性能
经济型
中档
高档
SINUMERIK802D:
SINUMERIK802D是一种将PLC、CNC、通讯和人机界面等功能集成于其核心部件CPU的具有免维护功能的数控系统。
该数控系统自动集成标准PLC子程序库以及实例程序,给用户提供了方便,减少了用户的设计周期。
并且该系统可靠性强、易于安装。
该系统可进行最多4轴联动控制,同时还能对一个数字或者模拟
主轴进行控制。
该系统为机床提供动力是全数字化的,由驱动装置SIMODRIVE611Ue
以及1FK6伺服电机来实现。
SINUMERIK810D:
SINUMERIK810D数控系统在数控领域中首次将驱动控制和CNC集成为一体。
最显著的特点就是循环处理能力的突出表现,该系统还提供很多加工循环功能,如钻削循环、车削循环等功能。
在其他方面如提前预测功能、坐标变换功能、模拟量控制模拟信号输出功能、刀具管理功能、样条插补功能、多项式插补功能等功能上也具有很大的优势。
温度的变化对于数控系统而言也至关重要,该系统还具有温度补偿功能,此功能能保证数控系统在高速运行状态下保证温度的合理性,以便数控机床的正常运行。
SINUMERIK840D:
SINUMERIK840D的显著特点在于该系统的动态品质以及控制精度上。
该系统主要用于加工各种复杂的成型曲面零件。
通过在系统平台上进行系统设定,该系统适用于多种控制技术。
2、日本FANUC
该数控系统来源于日本的富士通公司,该系统是中国初步迈入数控机床领域中时,国内市场上比较常用的一种数控系统。
到目前为止,国产数控机床上数控系统的选用大部分均为FANUC系统。
现在在中国市场上所使用的FANUC系统主要有FANUC0、FANUC0i、FANUC16、FANUC18、FANUC21等系统,国内应用最为广泛的是FANUC0i系统。
FANUC0i数控系统的特点:
①该系统元件结构布置合理、紧凑,安装时节省空间,时间。
②该系统编程支持宏程序,椭圆等复杂曲面便于加工。
③该系统用户程序区容量比OMD系统大一倍,其PMC程序基本指令执行周期比
OMD系统短,便于用户进行较复杂零件的加工,应用更加方便。
④在数控系统安装过程中,很多用户会根据要求进行现场功能扩充或者进行技术改造,为了此工作的顺利进行,该系统采用编辑卡编写或者修改梯形图的功能,简化携带与操作工作量。
⑤为了提高数控机床的生产效率,该系统提供了存储卡存储或输入机床参数、PMC程序以及加工程序等功能,使得工作人员在机床调试、输入参数等过程中简单快捷,大大节省了工作时间。
⑥在圆弧等复杂轮廓加工方面,该系统具有很大优势。
该系统自带的HRV(高速矢量响应)功能,伺服增益设定比OMD系统高一倍,即圆弧等复杂轮廓加工的精度提
高一倍。
大大降低了圆弧类零件加工的误差。
⑦零件加工误差一部分来自于机床横、纵向运动轴进给时的反向间隙,该系统在快速进给以及进给移动时,分别设定不同的间补参数,这一功能大大的降低了零件加工时由于反向间隙所造成的误差。
⑧在轮廓加工过程中,系统的预读控制和前馈等功能十分重要,这在很大程度上影响着轮廓加工误差的大小。
该系统设置为预读12个程序段。
这一功能可以提高小线段高速加工的效率,并且在模具三维立体加工中也有很大优势。
3、日本三菱数控系统
三菱数控系统由数控硬件和数控软件两部分组成。
ì
ì
数控装置:
数控系统的核心ü
ï
ï
输入/输出装置 ï
数控硬件:
三菱数控系统ï
í
ý
I/O接口互相连接运作
í
驱动装置 ï
î
机床电器逻辑控制装置 ï
þ
数控软件
三菱数控系统主要由三部分组成,分别为控制系统、伺服系统、位置测量系统。
控制系统的功能是根据用户输入数控系统的零件加工程序来进行直线和圆弧等插补计算,并将插补计算的结果传送至伺服系统;
伺服系统接收到信息后,将控制指令放大,将命令下达给控制各个运动轴的伺服电机,伺服电机根据命令控制各个进给系统进行相应的机械运动;
位置测量系统不断的对机械运动的位置或者速度进行测量,并将测量结果反馈给控制系统,控制系统根据反馈回来的信息来修正指令以控制工作误差。
在机械制造业中常用的三菱数控系统有:
M70V系列、M60S系列、E68系列、C6系列、C70系列。
4、华中数控、广州数控
华中数控数控系统:
具有自主版权的华中I型数控系统荣获了国家科
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