CA6140車床橫向進給系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計【CA6140型臥式車床的數(shù)控化改造】【說明書+CAD】

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As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining. Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises equipment updating step are counteracted severly. So General lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The main contents is: 1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimums synthesize adjudicate principle. 2. The ball screws type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motorof feeding system is designed. 3. The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming. 4. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a techniquediagram. 5. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe. 6. Draw out parts diagrams and assemble diagram. 7 .Methods of installing and testing of general purpose lathes numerically controlled reforming were put forward. Key words: General purpose lathe、 Numerical control(NC)、Reform 目錄 1 前言 -6 1.1 問題的提出 -6 1.1.1 國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 -6 1.1.2 國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 -7 1.1.3 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) -7 1.2 普通機床數(shù)控改造的經(jīng)濟性評價 -8 1.2.1 微觀看改造的必要性 -8 1.2.2 宏觀看改造的必要性 -9 1.3 普通機床數(shù)控化改造市場 -9 1.3.1 改造的市場 -9 1.3.2 進口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場 -10 2.設(shè)計要求 .3 2.1 總體方案設(shè)計要求.3 2.2 設(shè)計參數(shù) .4 2.3.其它要求 .4 3.進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計與計算 .8 3.1 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計 .9 3.2 橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型 .10 3.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量.10 3.3.3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟 .14 3.3.4 齒輪有關(guān)計算 .16 3.3.4 (2)橫向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算 .20 4. 步進電動機的計算與選型 .23 4.1 步進電動機選用的基本原則 .23 4.2 步進電動機的選折 .24 5.主軸交流伺服電機 .24 5.1 機床主運動電機的確定 .26 5.2 主軸的變速范圍 .26 5.3 初選主軸電機的型號.27 5.4 主軸電機的校核 .27 7安裝調(diào)整中應(yīng)注意的問題 .31 7.1 滾珠絲杠副的特點 .31 7.2 滾珠絲杠螺母副的選擇 .32 7.3 滾珠絲杠螺母副的調(diào)整.32 7.4 聯(lián)軸器的安裝 .32 7.5 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 .32 結(jié)論 .35 參考文獻 .36 1 前言 1.1 問題提出 數(shù)控車床作為機電液氣一體化的典型產(chǎn)品，是現(xiàn)代機械制造業(yè)中不可缺少 的加工設(shè)備，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，能解決機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 精密、批量小、零件多變的加工問題，且產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。 企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、求得發(fā)展,就必須在最短的時間內(nèi)以 優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本,制造出合乎市場需要的、性能合適的產(chǎn)品,而產(chǎn)品質(zhì) 量的優(yōu)劣,制造周期的快慢,生產(chǎn)成本的高低,又往往受工廠現(xiàn)有加工設(shè)備的直接 影響。 購買新的數(shù)控機床是提高數(shù)控化率的主要途徑,但是成本太高，很多工廠在 短時間內(nèi)都無法有那么多的資金，這嚴重阻礙企業(yè)的設(shè)備更新和設(shè)備改造的步 伐；同時目前大多數(shù)企業(yè)還有數(shù)量眾多，而且還具有較長使用壽命的普通機床， 由于普通機床加工精度相對較低、不能批量生產(chǎn)，生產(chǎn)的自動化程度不高，生 產(chǎn)自適應(yīng)性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性和轉(zhuǎn)型周期，又不能馬上淘汰。 而改造現(xiàn)有舊機床、配備與之相適應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，把普通機床改裝成數(shù)控機床， 是當前許多企業(yè)對現(xiàn)有設(shè)備改造換代的首選辦法，也是提高機床數(shù)控化率的一 條有效途徑，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品加工精度及質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率的 捷徑，使企業(yè)提升競爭力，在我國成為世界制造業(yè)中心及制造強國的進程中， 占有一席之地。 1.1.1 國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 機床作為機械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于 計算機技術(shù)的興起，促使機床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化 技術(shù)進行柔性自動化控制的新一代機床數(shù)控機床的誕生和發(fā)展。 隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā) 達國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術(shù)進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在 現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計算機、信息處理、自 動檢測、自動控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特 點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前， 數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式 實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超 小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多 學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、 調(diào)節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上， CAD/CAM 與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機床聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了中央集中控制的群控加 工。 長期以來，我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC 只能作為非智 能的機床運動控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工 程序在實際加工前用手工方式或通過 CAD/CAM 及自動編程系統(tǒng)進行編制。 CAD/CAM 和 CNC 之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中 CNC 只是一個封 閉式的開環(huán)執(zhí)行機構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、 工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加 工參數(shù)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調(diào)整，更無法通 過反饋控制環(huán)節(jié)隨機修正 CAD/CAM 中的設(shè)定量，因而影響 CNC 的工作效率 和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見，傳統(tǒng) CNC 系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式 體系結(jié)構(gòu)，限制了 CNC 向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過 程，因此，對數(shù)控技術(shù)實行變革勢在必行。 1.1.2 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 1 性能發(fā)展方向 (1) 高速高精高效化 速度、精度和效率是機械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標。由于采用了高速 CPU 芯 片、RISC 芯片、多 CPU 控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字 伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精 高效化已大大提高。 (2) 柔性化 包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，功能覆蓋面 大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng) 能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調(diào)整，從而最大 限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。 (3) 工藝復(fù)合性和多軸化 以減少工序、輔助時間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功 能方向發(fā)展。數(shù)控機床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過 自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。 數(shù)控技術(shù)軸，西門子 880 系統(tǒng)控制軸數(shù)可達 24 軸。 (4) 實時智能化 早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以 確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智 能行為。科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，實時系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向 著具有實時響應(yīng)的、更現(xiàn)實的領(lǐng)域發(fā)展，而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、 更加復(fù)雜的應(yīng)用發(fā)展，由此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng) 域，實時智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應(yīng)控制、模糊 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中 配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動設(shè)定和刀具自動管理及補償 等自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預(yù)測和預(yù)算功能、 動態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控 系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達到最佳控制的目的。 1.1.3 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) 當前開發(fā)研究適應(yīng)于復(fù)雜制造過程的、具有閉環(huán)控制體系結(jié)構(gòu)的、智能化 新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)已成為可能。 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)將計算機智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿 真等高新技術(shù)融于一體，形成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系。 1.2 普通機床數(shù)控化改造經(jīng)濟性評價 根據(jù)對市場的調(diào)研，目前新的經(jīng)濟數(shù)控車床，8.5 萬/臺，普通新車床 CA6140，售價 3.8 萬/臺，使用壽命 8-10 年，而已使用了 6-8 年的舊車床 CA6140，估價 0.5 萬/臺，通過改造還可使用 4-6 年。普通車床 CA6140 每臺數(shù) 控化改造所需價格大約 3 萬，數(shù)控加工的生產(chǎn)率可提高 20-30%。因此需要對普 通車床的數(shù)控化改造進行經(jīng)濟性評價。 設(shè)備現(xiàn)代化改造是指應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)成就和先進經(jīng)驗，適應(yīng)生產(chǎn)的需要， 改變現(xiàn)有設(shè)備的結(jié)構(gòu)（包括更換新部件、新裝置、新附件等） ，改善現(xiàn)有設(shè)備的 技術(shù)性能，使之全部或局部達到新設(shè)備的性能。 1.2.1 微觀看改造的必要性 從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性 均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 (1) 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應(yīng) 該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 (2) 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床 提高 37 倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下 來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換 一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動 化，故被稱為實現(xiàn)了柔性自動化。 (3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要修配。 (4 ) 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 (5) 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長 時間無人看管加工。 由以上五條派生的優(yōu)點：(1)降低了工人的勞動強度；(2)節(jié)省了勞動力 （一個人可以看管多臺機床） ；(3)減少了工裝；縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn) 周期；(4)可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。 以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床 數(shù)控化還是推行 FMC（柔性制造單元） 、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS（計算 機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化 的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 1.2.2 宏觀看改造的必要性 從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在 70 年代末、80 年代初已 開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民 機械工業(yè)）進行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS 外，還 包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行 CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MIS（管理信息系統(tǒng)） 、CIMS 等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包 括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造 （稱之為信息化） ，最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為 增強。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落后 20 年。如我國機 床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994 年已達 20.8，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。這也就從宏觀上說明了 機床數(shù)控化改造的必要性。 1.3 普通機床數(shù)控化改造市場 1.3.1 改造的市場 我國目前機床總量 380 余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有 11.34 萬臺，即 我國機床數(shù)控化率不到 3。近 10 年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為 0.60.8 萬臺，年產(chǎn)值約為 18 億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6。我國機床役齡 10 年以上的占 60以上；10 年以下的機床中，自動/半自動機床不到 20，F(xiàn)MC/FMS 等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床 占 60以上） ?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是 傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機床。用這種裝備加工出來 的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、 國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益。所以必須大 力提高機床的數(shù)控化率。 1.3.2 進口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場 我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進行技術(shù) 改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從 19791988 年 10 年間，全國引進技術(shù)改造項目就有 18446 項，大約 165.8 億美元。這些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟建設(shè)發(fā) 揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運 轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、 生產(chǎn)線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結(jié)果運轉(zhuǎn) 不良；有的引進時只注意引進設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等， 造成項目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應(yīng)有 的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設(shè)備故障不能達產(chǎn)達標；有的 因為能耗高、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術(shù) 更新。種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。 這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好 了就是財富。只要找出主要的技術(shù)難點，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投 資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。這也是一個極大 的改造市場。 2 設(shè)計要求 2.1 總體方案設(shè)計要求 總體方案設(shè)計應(yīng)考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和 執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。 （1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補 功能，還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控 制系統(tǒng)。 （2）車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下 應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟性要求， 經(jīng)濟型數(shù)控機床一般采用 8 位微機。在 8 位微機中，MCS51 系列單片機具有 集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性價比， 因此，可選 MCS51 系列單片機擴展系統(tǒng)。 （4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機數(shù)控系統(tǒng)中除了 CPU 外，還包括擴展程序存 儲器，擴展數(shù)據(jù)存儲器、I/O 接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵 盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進電機 驅(qū)動電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助 電路。 （5）設(shè)計自動回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。 （6）縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠 螺母副組成，其傳動比應(yīng)滿足機床所要求的分辨率。 （7）為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高 的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也 應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機構(gòu)。 （8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。 2.2 設(shè)計參數(shù) 設(shè)計參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計數(shù)控進給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)。 現(xiàn)列出 CA6140 臥式車床的技術(shù)數(shù)據(jù)： 名稱 技術(shù)參數(shù) 在床身上 400mm 工件最大直徑 在刀架上 210mm 頂尖間最大距離 650;900;1400;1900mm 宋制螺紋 mm 1-12(20 種) 加工螺紋范圍 英制螺紋 t/m 2-24(20 種) 模數(shù)螺紋 mm 0.25-3(11 種) 徑節(jié)螺紋 t/m 7-96(24 種) 最大通過直徑 48mm 孔錐度 莫氏 6# 主軸 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù) 24 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 101400r/min 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù) 12 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 14-1580r/min 縱向級數(shù) 64 進給量 縱向范圍 0.028-6.33mm/r 橫向級數(shù) 64 橫向范圍 0.014-3.16mm/r 滑板行程 橫向 320mm 縱向 650;900;1400;1900mm 最大行程 140mm 刀架 最大回轉(zhuǎn)角 90 刀杠支承面至中心的距離 26mm 刀杠截面 BH 2525mm 頂尖套莫氏錐度 5# 尾座 橫向最大移動量 10mm 外形尺寸 長寬高 241810001267mm 圓度 0.01mm 工作精度 圓柱度 200:0.02 平面度 0.02/300mm 表面粗糙度 Ra 1.6-3.2m 主電動機 7.5kw 電動機功率 總功率 7.84kw 改造設(shè)計參數(shù)如下: 最大加工直徑 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm 最大加工長度 1000mm 快進速度 縱向 2.4m/min 橫向 1.2m/min 最大切削進給速度 縱向 0.5m/min 橫向 0.25m/min 溜板及刀架重力 縱向 800N 橫向 600N 代碼制 ISO 脈沖分配方式 逐點比較法 輸入方式 增量值、絕對值通用 控制坐標數(shù) 2 脈沖當量 縱向 0.01mm/脈沖 橫向 0.005mm/脈沖 機床定位精度 0.015mm 刀具補償量 0mm-99.99mm 進給傳動鏈間隙補償量 縱向 0.15mm 橫向 0.075mm 自動升降速性能 有 2.3.其它要求 （1） 原機床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動量 ，以降低成本 縮短改造周期。 （2）機械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正 安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。 3 進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計與計算 3.1 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計 進給系統(tǒng)改造設(shè)計需要改動的主要部分有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板 刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一種方案： 掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。 進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電機與齒輪減速箱總成 絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安 裝在車床尾座端原來裝軸承座的部分。 溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分 操 作按鈕。 橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進給滾珠絲杠 螺 母副、橫向進給步進電機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相 連。 刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉(zhuǎn)四方刀架總成。 3.2 橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當量、計算切削 力 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進電機的計算和選型 等。計算簡圖如下圖所示： 3.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量 脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進給量,它是衡量數(shù)控機 床加工精度的一個基本參數(shù)。因此,脈沖當量應(yīng)根據(jù)機床精度的要求來確定。對 經(jīng)濟型數(shù)控機床來說，常采用的脈沖當量為 0.01mm/step 和 0.005mm/step,在 CA6140 的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當量 fp 為 0.01mm/step。橫向脈沖當量為 fp=0.005mm/step。 3.2.2 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟 （1）型號選擇 1）最大工作載荷計算 由于導(dǎo)向為貼塑導(dǎo)軌，則：k=1.4 f=0.05,F1 為工作臺進給方向載荷， Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h, 最大工作載荷：Fm=kF1+f(Fv+2Fc+G) =1.42144+0.05(5360+21340+9.875) =3440.4N 2）最大動載荷的計算 V 橫=1400r/min0.79mm/r=1106mm/min n 橫絲=v 橫1/2/L 0縱=11061/2/4=138.25r/min L=60nt/=60138.2515000/106=124.43 C= fmFm = 1.53440.4=25763.7N 初選滾珠絲杠型號為：CD506-3.5-E 其基本參數(shù)為 Dw=3.969mm,=2 o11,L0=6mm,dm=50mm,圈數(shù)列數(shù)3.51 (2) 橫向滾珠絲杠的校核 1）傳動效率 計算 =tg/tg(+)=tg2 o11 /tg(2o11 +10)=93% 2) 剛度驗算 1. 絲杠的拉壓變形量 1=FmL/EA=3440.4320/20.610 425 2=0.0027mm 2.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2=0.0013 =0.0013 2 =0.0070mm 在這里 Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N Z=dm/Dw=3.1450/3.969=39.56 Z=39.563.51=138.48 絲杠的總變形量 =1+2=0.0027+0.0070=0.0097mm0.015mm 查表知 E 級精度允許的螺距誤差為 0.015mm，故所選絲杠合格 3.2.3 齒輪有關(guān)計算 (1)縱向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算 1）有關(guān)齒輪計算，由前面的條件可知： 工作臺重量：W=80kgf=800N(根據(jù)圖紙粗略計算) 滾珠絲杠的導(dǎo)程: Lo=12mm 步距角: =0.75/step 脈沖當量: p=0.01mm/step 快速進給速度：V max=2m/min 所以,變速箱內(nèi)齒輪的傳動比 i= = = =2.5 （3-9） 齒輪的有關(guān)參數(shù)選取如下: Z1=32 , Z2=40 ,模數(shù) m=2mm 齒寬 b=20mm 壓力角 =20 齒輪的直徑 d 1=mz1=232=64mm d2=mz1=240=80mm d2 =d1+2ha*=68mm d2 =d2+2ha*=84mm 兩齒輪的中心矩 a= = =72mm 2）轉(zhuǎn)動慣量計算 工作臺質(zhì)量折算到步進電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量: J1=W( )2= ( )2 80 =0.467kg.cm2 （3- 10） 對材料為鋼的圓柱形零件,其轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算: J=7.810-4D4L kg.cm2 （3-11） 式中 D-圓柱形零件的直徑,cm L-零件的軸向長度,cm 所以,絲杠的轉(zhuǎn)動慣量: J1=7.810-4+D4L1=7.810-43.24140.3=11.475 kg.cm2 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量: =7.810-46.442=2.617 kg.cm2 =7.810-4842=6.39 kg.cm2 電動機轉(zhuǎn)動慣量很小,可忽略。 因此，折算到步進電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 J=(1/i2)（J S+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.5 2)（11.475+6.39） +2.617+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm2 3）所需轉(zhuǎn)動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo 最大切削負載時所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt 快速進給時所需力矩 M=Mf+Mo 式中, Mamax-空載啟動時折算到電動機軸上的加速度力矩; Ma-折算到電動機軸上的加速度力矩; Mf-折算到電動機軸上的摩擦力矩; Mo-由絲杠預(yù)緊所引起,折算到電動機軸上的附加摩擦力矩; Mat-切削時折算到電動機軸上的加速力矩; Mt-折算到電動機軸上的切削負載力矩; Ma= 10-4N.m （3-12） 式中, J-轉(zhuǎn)動慣量, kg.cm 2 n-絲杠轉(zhuǎn)速,r/min T-時間常數(shù),s 當 n=nmax時 M a=Mamax nmax= = =416.7 r/min Mamax= 10-4=2.49N.m 當 n=nt時, M a=mat nt= = = =24.88 r/min Mat= 10-4=0.0616N.mMf= = N.cm （3-13） 式中 f-導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) nt-切削加工時的轉(zhuǎn)速，r/min; w-移動不見的重量，N; Lo-絲杠導(dǎo)程，cm; i-傳動比； - 傳動效率。 當 =0.8 f=0.16 時， Mf= = 12.23 N.cmMo= (1- ) （3-14） 式中， o-絲杠未預(yù)緊時的效率，取 0.9 FO-預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的 1 / 3，即 FP / 3 則 M o= = (1-0.92)=8.108N.cm Mt= = =128 N.cm 所以，快速空載啟動所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338 N.cm 切削時所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42 N.cm 快速進給時所需力矩 M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338 N.cm 由以上分析計算可知：所需最大力矩 Mamax發(fā)生在快速啟動時 Mmax=123.338 N.cm (2)橫向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算 1)有關(guān)齒輪計算，由前面的條件可知： 工作臺重量：W=30kgf=300N(根據(jù)圖紙粗略計算) 滾珠絲杠的導(dǎo)程: Lo=4mm 步距角: =0.75/step 脈沖當量: p=0.005mm/step 快速進給速度：V max=1m/min 所以,變速箱內(nèi)齒輪的傳動比 i= = = =1.67 齒輪的有關(guān)參數(shù)選取如下: Z1=18 , Z2=30 ,模數(shù) m=2mm 齒寬 b=20mm 壓力角 =20 d1=36mm d2=60mm da1 =40mm da2=64mm a=48mm 2)轉(zhuǎn)動慣量計算 工作臺質(zhì)量折算到步進電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量: J1=W( )2= ( )2 30 =0.0439 kg.cm2 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量: Js=7.810-42450=0.624 kg.cm2 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量: =7.810-43.642=0.262 kg.cm2 =7.810-4642=2.022 kg.cm2 電動機轉(zhuǎn)動慣量很小,可忽略。 因此，折算到步進電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 J=(1/i2)（J S+Jz2）+Jz1+J1=( )2（0.624+2.022）+0.262+0.0439=1.258 kg.cm2=12.58N. cm2 3)所需轉(zhuǎn)動力矩計算 nmax= = =416.7 r/min Mamax= 10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cm nt= = = =33.17 r/min Mat= 10-4=0.0174N.m=0.174 kgf.cm Mf= = = =0.287kgf.cm=0.028N.m Mo= = (1-0.92) =0.649kgf.cm =0.065N.m Mt= = =10.242kgf.cm =1.024 N.m 所以，快速空載啟動所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm 切削時所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52 N.cm 快速進給時所需力矩 M=Mf+Mo=0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm 由以上分析計算可知：所需最大力矩 Mamax發(fā)生在快速啟動時 Mmax=2.532 kgf.cm =25.32 N.cm 4 步進電動機的計算與選型 4.1 步進電動機選用的基本原則 合理選用步進電動機是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電動機在整個系統(tǒng)中的 實際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用步進電機最基本的原則 介紹如下： 4.1.1 步距角 步距角應(yīng)滿足 （4- 1） 式中， i-傳動比 min-系統(tǒng)對步進電動機所驅(qū)動部件要求的最小轉(zhuǎn)角 4.1.2 精度 步進電動機的精度可以用步距誤差或累積誤差衡量，累積誤差是指轉(zhuǎn)子從 任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用 累積誤差衡量精度比較實用，所選用的步進電動機應(yīng)滿足： mi s （4- 2） 式中， m -步進電動機的累積誤差。 s-系統(tǒng)對步進電動機驅(qū)動部分允許的角度誤差。 4.1.3 轉(zhuǎn)矩 為了使步進電動機正常運轉(zhuǎn)（不失步，不越步）正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的 要求，必須考慮以下條件 a. 起動力矩。一般選取為 MqMLo/0.3-0.5 （4-3） 式中，M q-電動機起動力矩 MLo-電動機靜負載力矩 根據(jù)步進電動機的相數(shù)和拍數(shù)，啟動力矩選取如表（4）所示，表中 MJM為 步進電動機的最大靜載矩，是步進電動機技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的。 相數(shù) 3 3 4 4 5 5 6 6運行 方式 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 Mg/Mjm 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 表（4）步進電動機相數(shù)、拍數(shù)啟動力矩表 在要求的運行頻率范圍內(nèi)，電動機運行運行力矩應(yīng)大于電動機的靜載力矩 與電動機轉(zhuǎn)動慣量（包括負載的轉(zhuǎn)動慣量）引起的慣性矩之和。 4.1.4 啟動頻率 由于步進電動機的啟動頻率隨著負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此， 相應(yīng)負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)滿足： Ftfopm (4-4) 式中，f t-極限啟動頻率， fopm-要求步進電動機最高啟動頻率。 4.2 步進電動機的選折 4.2.1 CA6140 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 Mq= =63.3 N.cm 電動機仍選用三相六拍工作方式，查表知： Mq/Mjm=0.866 所以步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjm為： Mjm= =73.09 N.cm 步進電動機最高工作頻率： fmax= =3333.3 HZ 為了便于設(shè)計和采購，仍選用 90BF002 型直流電動機，能滿足使用要求。 5 主軸交流伺服電機 5.1 主軸的變速范圍 主軸能實現(xiàn)的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為變速范圍 Rn， 即 Rn=nmax/nmin,數(shù)控機床的工藝范圍寬，切削速度與刀具，工件直徑變化 很大，所以主軸變速范圍很寬。 由于 Nmax=1800 nmax=14 Nmax/nj=2nj/min (5-1) 則 nj= =113r/min 這里 nj 為電動機的額定轉(zhuǎn)速 該機床主軸要求的恒功率調(diào)速范圍 Rn 為： Rn= nmax /nj =1800/113=15.9 (5-2) 主軸電機的功率是：7.5kw 5.2 初選主軸電機的型號 選主軸電機的型號為：SIMODRIVE 系列交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)型號為 1HP6167- 4CB4，連續(xù)負載 PH/KW=14.5，間隙負載（60%）/kw=17.5kw,短時負載 （20min）/kw=19.25kw,額定負載 n/r.min-1=5000,最大轉(zhuǎn)速 nmax/ r/min=8000，額定轉(zhuǎn)矩 277N.m,慣性矩 0.206/kg.m2晶體管 PWM 變頻器型號為 6SC6058-4AA02 5.3 主軸電機的校核 電動機恒恒功率調(diào)速范圍： Rn= nmax/nmin =8000/5000 =16 所以所選電動機型號的調(diào)速范圍滿足主軸所要求的調(diào)速范圍。 7 車床改造的結(jié)構(gòu)特點 7.1.滾珠絲桿 滾珠絲桿必須采用三點支承形式。步進電動機的布置可放在絲杠的任一端， 由于拆除了進給箱，可在原安裝進給箱處布置步進電動機和減速齒輪，也可在 滾珠絲桿的左端設(shè)計一個專用軸承支承座，而在絲杠托架處布置步進電動機和 減速箱。 7.2 導(dǎo)軌副 為減少運動部件移動時的摩擦阻力，尤其是減少靜摩擦阻力，滑板和刀架 移動部件的導(dǎo)軌可粘貼摩擦系數(shù)低的聚四氟乙烯軟帶 7.3 安裝電動卡盤 為了提高經(jīng)濟型數(shù)控機床的加工效率，還可考慮用電動三爪自定心卡盤裝 置，這種裝置也可與數(shù)控裝置的信號電路相配合，實現(xiàn)自動夾緊、松開，提高 加工過程的自動化程。 7.4 脈沖發(fā)生器 改造后的簡易數(shù)控車床需要自動化加工螺紋時，可以在主軸后端同軸安裝 或者異軸安裝一個主軸脈沖發(fā)生器，作為主軸位置的信號反饋元件，目的是用 來檢測主軸轉(zhuǎn)角的位置，并且將其變化情況輸送給數(shù)控裝置，使其能按照所加 工螺紋的螺距值進行處理。 8 安裝調(diào)整中應(yīng)注意的問題 8.1 滾珠絲杠螺母副的選擇： 滾珠絲杠螺母副的制造精度要求高，加工工藝比較復(fù)雜。都是由專業(yè)工廠 按系列化進行生產(chǎn)。因此在進行設(shè)備改造時，要按廠家生產(chǎn)標準進行選擇。選 擇合適以后再決定被改造設(shè)備的 其他相關(guān)部分的結(jié)構(gòu)和尺寸。 8.2 滾珠絲杠螺母副的調(diào)整： 利用螺母的 間隙調(diào)整裝置調(diào)整絲杠副間隙時，應(yīng)使調(diào)整后產(chǎn)生的 預(yù)緊力 為絲杠副最大負載的 1 / 3 為宜。在 實際調(diào)整中，可以把車床處于最大工作負 載，使絲杠內(nèi)部仍不產(chǎn)生間隙或者間隙量小于 0.01mm，而且運轉(zhuǎn)靈活，并以此 作為螺母間隙調(diào)整裝置預(yù)緊的判斷標準。 8.3 聯(lián)軸器的安裝： 傳動絲杠軸線上各聯(lián)軸套上的錐銷孔座按十字分布方式進行配做。這是因 為同一聯(lián)軸套上分布的錐孔都由同一方向加工時，往往會引起軸線的直線度誤 差增大，從而使安裝在絲杠上各零件間的同軸度誤差增大，產(chǎn)生傳動附加載荷， 影響絲杠副的傳動性能。 8.4 主軸脈沖發(fā)生器的安裝： 主軸脈沖發(fā)生器的的引出軸按比例 1：1 無間隙柔性連接傳動，連接后 應(yīng)保證兩者都有很好的同步性，安裝中要注意主軸脈沖發(fā)生器是玻璃件，不能 隨意敲打碰撞，使用中車床主軸轉(zhuǎn)速不能超過脈沖發(fā)生器的最高許用轉(zhuǎn)速。 結(jié)論 這次課題設(shè)計總計費時兩個星期，剛開始時不知從何下手，在老師的指導(dǎo) 下到圖書館查閱相關(guān)資料。有關(guān)數(shù)控上的資料翻了數(shù)次，有參考了相關(guān)設(shè)計資 料，終于知道了該怎么做。接下來篩選出一系列有價值的資料，與同組同學(xué)不 斷的討論、向老師請教，終于完成了設(shè)計。 在做設(shè)計的過程中，不但復(fù)習了所學(xué)過的知識點，還學(xué)到了新的知識，同 時將所學(xué)到的知識充分的運用起來，做到了學(xué)以致用，還學(xué)會了查資料，除此 之外，我還懂得了團結(jié)合作的重要性，知道了集體的力量！ 當然，在此過程中也有許多不足之處，例如：知識的不全面，所學(xué)的還沒 有全部掌握，思維的狹隘等，讓我在畢業(yè)前上了生動形象的一課。 同時，做設(shè)計也是磨練決心與毅力的過程，面對復(fù)雜冗長的數(shù)據(jù)，打印長 篇的論文，我也想過放棄，但想到它的意義我就又堅持了下來。做完了后，有 一種豁然開朗的感覺，內(nèi)心激動無比，經(jīng)過了這次設(shè)計以后，我有信心，我也 堅信只要努力、堅持，我們就能走好人生的每一步。 參考文獻 1.吳振彪主編.機電綜合設(shè)計指導(dǎo).中國人民大學(xué)社.2000. 2.余英良主編.機床數(shù)控改造設(shè)計與實例.機械工業(yè)出版社.1997 3.機床設(shè)計手冊編寫組編. 機床設(shè)計手冊第一，三，四冊. 械工業(yè)出版社. 1998. 4.明興祖主編.數(shù)控加工技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社.2001. 5.胡占齊，楊莉主編.機床數(shù)控技術(shù). 機械工業(yè)出版社.1999. 6.王先逵主編.機械制造工藝學(xué). 機械工業(yè)出版社.2002. 7.邱宣懷主編.機械設(shè)計.高等教育出版社.2002 8.黃調(diào)，趙松年主編.機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用. 機械工業(yè)出版社.1999.