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機械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 III 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 開題報告 設(shè)計 論文 題目 C6140 車床數(shù)控化改造之機械系統(tǒng)改造 設(shè)計 論文 題目來源 自選課題 設(shè)計 論文 題目類型 工程設(shè)計類 起止時間 始 2004 2 8 止 2004 6 23 止 2004 6 24 一 設(shè)計 論文 依據(jù)及研究意義 機床工業(yè)是機器制造業(yè)的重要部門 肩負著為農(nóng)業(yè) 工業(yè) 科學(xué)技術(shù)和國防 現(xiàn)代化提供技術(shù)裝備的任務(wù) 是使現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)具有高生產(chǎn)率和先進的技術(shù) 經(jīng)濟指標(biāo)的保證 設(shè)計機床的目標(biāo)就是選用技術(shù)先進 經(jīng)濟效果顯著的最佳可 行方案 以獲得高的經(jīng)濟效益和社會效益 本次設(shè)計是為了對我國現(xiàn)間斷所生產(chǎn)的車床進行一些先進技術(shù)和數(shù)字控制技 術(shù)的應(yīng)用 進給運動采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng) 此外對主軸轉(zhuǎn)速亦進行數(shù)字 控制 從而實現(xiàn)機床的完全數(shù)字化 實現(xiàn)在加工過程中實現(xiàn)變速 滿足在加工 過程中不同加工精度范圍對轉(zhuǎn)速的要求 數(shù)控系統(tǒng)采用廉價的單片機控制技術(shù) 以滿足普通加工機床對價格的要求 我們這次畢業(yè)設(shè)計是對大學(xué)四年專業(yè)知識的綜合運用 通過這次設(shè)計 更好 的掌握了專業(yè)知識 對其也有更深入的理解 這對我們將來的工作 學(xué)習(xí)都是 一個莫大的幫助 我們受益匪淺 二 設(shè)計 論文 主要研究的內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 技術(shù)方案 路線 床身導(dǎo)軌平行度 O 01 mm 縱向?qū)к壴诖怪逼矫鎯?nèi)的直線度 O 02 mm 橫向?qū)к壍钠叫卸?O 03 mm 溜板移動在水平面內(nèi)直線度 O 015 mm 重復(fù)定位精度 Z軸 O 01 mm x軸 O 01 mm 定位精度Z軸 O 02 mm X軸 0 02 mm 精車外圓精度 圓度 0 005 mm 圓柱度 O 03 mm 機械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 IV 端面平行度 0 02 ram 300 mm 數(shù)控改造后 機床的技術(shù)性能只有符合上述要求 才能確保數(shù)控設(shè)備高精 度 高性能 高效率的優(yōu)點 滿足各種通用加工的需要 三 設(shè)計 論文 的研究重點及難點 本次設(shè)計的重點及難點 機械方面在于數(shù)控機床的主傳動 由于車床為滿足 不同的加工要求 其對機床的極數(shù)要求較為嚴格 對于較高精度的加工要求 部件的受力變形和熱變形對主軸加工精度產(chǎn)生較大的影響 對傳動的方式進行 一些調(diào)整 數(shù)字控制技術(shù)方面 由于本人的單片機技術(shù)知識有限 而且要完成 較多的端口部件的控制 設(shè)計任務(wù)較為繁重 因此花費了較多的時間和精力 設(shè)計 論文 研究方法及步驟 進度安排 我們所安排的進度如下 完成日期 內(nèi) 容 圖 號 2 9 2 23 1 經(jīng)濟型數(shù)控車床的外觀圖 A0 手工 2 24 3 10 2 經(jīng)濟型數(shù)控車床的傳動設(shè)計 A0 計算機 3 11 3 26 3 經(jīng)濟型數(shù)控車床的主軸箱設(shè)計 A0 計算機 3 27 4 10 4 經(jīng)濟型數(shù)控車床縱向進給系統(tǒng)設(shè)計 A1 計算機 4 11 4 18 5 自動轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計 A1 計算機 4 19 5 8 6 經(jīng)濟型數(shù)控車床主軸零件圖 A0 計算機 5 9 5 23 7 數(shù)控電路圖 A1 計算機 5 24 6 3 8 經(jīng)濟型數(shù)控車床設(shè)計的說明書 6 4 6 14 9 審圖后的返工和修改 進行設(shè)計 論文 所需條件 這四個月的設(shè)計中 我們多次去南華大學(xué)金工實習(xí)工廠去參觀 6132 通用型 普通車床 了解它的基本結(jié)構(gòu) 工作原理 對經(jīng)濟型數(shù)控車床有了一個整體的 概念以后 我們多方面收集資料 在原有的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新 這花費了我們不 少時間 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計暫告一個段落后 我們開始研究經(jīng)濟型數(shù)控車床的控制 系統(tǒng)部分 我們查閱了許多數(shù)控機床控制部分設(shè)計的資料 學(xué)習(xí)了單片機控制 機械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 V 原理和對各種芯片的擴展 對各種芯片的控制程序編制 包括對鍵盤顯示器 步進電機驅(qū)動電路等專門的芯片擴展 由于時間倉促 對單片機的學(xué)習(xí)還不夠 深入 但還是學(xué)會了一些芯片的用途和接法 四 指導(dǎo)教師意見 簽名 年 月 日 1 C6140 車床數(shù)控化改造之機械系統(tǒng)改造 內(nèi)容摘要 利用數(shù)控系統(tǒng)改造車床是提高老設(shè)備利用率的一種重要手段 改造后的機床除 了能加工平面及孔等簡單的零件外 還能加工形狀復(fù)雜 如加工圓弧面 斜面及凸 輪等 的零件 具有高精 高效及加工面廣等特點 還可以減少人工的工作量 只 要輸入一定的加工程序就可以得到相應(yīng)的加工結(jié)果 本文介紹了一種 C6140 車床數(shù)控改造的機械系統(tǒng)部分改造的一種方案 改造后 機床利用微型計算機控制伺服電機轉(zhuǎn)動 縱橫向進給運動改造成分別用伺服電機來 控制 普通絲杠被改裝成一對齒輪和滾珠絲杠 伺服電機帶動齒輪運動 再將動能 傳到滾珠絲杠 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動使工作臺移動 論文最后對系統(tǒng)的誤差及精度進行分 析 并提出改進的方法 建議 關(guān)鍵詞 數(shù)控改造 機械系統(tǒng) 開環(huán)系統(tǒng) 伺服電機 Abstract 2 Utilizing NC system reforms lathes is an important method to heighten the rate of old equipments The innovated lathe characterizes high precision high efficiency and wide machining and so forth and it can save workload Only some machining program input the corresponding result will be done This article introduces a way of economic NC reform of C6140 lathe at its mechanical system The reformed system uses microcomputer to control the servo electromotor The x axis and y axis forward moving systems are controlled by respective electromotor The ordinary screw lever will be changed into a pair of gears and rolling bead screw lever The servo motor will drive gear to move and then spread the kinetic energy to rolling bead screw lever and the rolling bead screw lever run and move the gears In the end making an analysis on the error margin and the precision and giving methods for amelioration and advice Key words NC reform mechanical system open hoop system servo motor 3 目 錄 前言 5 正文 13 1 總體設(shè)計方案 13 1 1 對機床改造的方案 13 1 2 實現(xiàn)的目標(biāo) 14 2 傳動系統(tǒng)的改造 15 2 1 機械部分的數(shù)控化改造 15 2 2 進給傳動系統(tǒng)的改造 15 2 2 1 改造要求 15 2 2 2 進給機構(gòu)的改造 15 2 2 3 導(dǎo)軌副的改造 16 2 3 縱向 向 進給系統(tǒng)改造 16 2 3 1 改造要求及目標(biāo) 16 2 3 2 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計 17 2 3 3 切削力的計算 17 2 3 4 滾珠絲杠設(shè)計計算 18 2 3 5 有關(guān)齒輪計算 19 2 3 6 轉(zhuǎn)動慣量的計算 20 2 3 7 所需轉(zhuǎn)動力矩的計算 21 2 4 橫向 Y 向 進給系統(tǒng)設(shè)計與計算 22 2 4 1 切削力計算 22 2 4 2 滾珠絲杠設(shè)計計算 22 4 2 4 3 齒輪及轉(zhuǎn)矩的計算 24 2 4 4 轉(zhuǎn)動慣量的計算 24 2 4 5 所需轉(zhuǎn)動力矩的計算 25 3 1 步進電機選用的基本原則 26 3 2 步進電機的選擇 27 4 分析誤差來源 28 4 1 機械結(jié)構(gòu)原因 28 4 2 齒輪副誤差補償分析 28 4 3 滾珠絲杠副誤差補償分析 28 結(jié)論 29 致謝 30 5 前言 由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展 普通機床已經(jīng)越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高 勞動生產(chǎn)率的要求如果設(shè)備全部更新?lián)Q代 不僅資金投入太大成本太高 而且原有 設(shè)備的閑置又會造成極大的浪費 所以最經(jīng)濟的辦法 就是對原有設(shè)備進行經(jīng)濟型 數(shù)控改造 這樣既可以提高生產(chǎn)率 改善加工工藝還可以減少資金投入 因此方法 對于中小型企業(yè)是十分有效的 該課題來源于生產(chǎn)實踐的需要 利用大量閑置舊機床 對起進行數(shù)控化改造后 成為一種高效的 多功能的經(jīng)濟型數(shù)控機床 是一種推陳出新 盤活存量資金的有 效辦法 是低成本自動化的必由之路 數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù) 對傳統(tǒng)機械制造產(chǎn)業(yè)的滲 透形成的機電一體化產(chǎn)品 數(shù)控機床 其技術(shù)范圍涉及很多領(lǐng)域 機械制造技術(shù) 信息處理技術(shù) 自動控制技術(shù) 伺服驅(qū)動技術(shù) 傳感器技術(shù) 軟件技術(shù)等 機床數(shù)控化改造的必要性 目的和背景 1 微觀看改造的必要性 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 2 可以實現(xiàn)加工的柔性自動化 大大提高加工效率 實現(xiàn) 柔性自動化 加 工 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 6 降低了工人的勞動強度 節(jié)省了勞動力 減少了工裝 縮短了新產(chǎn)品試制 周期和生產(chǎn)周期 可對市場需求作出快速反應(yīng)等等 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) 6 2 宏觀看改造的必要性 從宏觀上看 工業(yè)發(fā)達國家的機械工業(yè) 由于對其機械工業(yè)進行信息化改造 使得他們的產(chǎn)品競爭力大為增強 而我國在這方面比發(fā)達國家約落后近 20 年 數(shù)控 化率極低 這也說明了數(shù)控化改造的必要性 進行經(jīng)濟型數(shù)控機床開發(fā) 是符合我 國國情的有效的機床更新途徑 在當(dāng)前的市場需求多變 競爭激烈的環(huán)境中 企業(yè)需要迅速地開發(fā)出新產(chǎn)品 以低價 好質(zhì)量 快速去滿足市場需求的變化 而數(shù)控機床最適宜加工小批量 多 品種 高精度 形狀復(fù)雜 生產(chǎn)周期短的零件 數(shù)控機床的柔性化加工 符合產(chǎn)品 頻繁變化的要求 國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r 目前 數(shù)控技術(shù)正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) 實現(xiàn)了 高速 高精 高效控制 加工過程中可自動修正 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 而我國的數(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 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 所以 對數(shù)控 技術(shù)實行變革勢在必行 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 數(shù)控系統(tǒng)的伺服驅(qū)動從直流向交流全數(shù)字式轉(zhuǎn)變 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)從封閉向開放 轉(zhuǎn)變 控制系統(tǒng)由專用計算機向通用計算機轉(zhuǎn)變 能根據(jù)控制對象迅速 靈活地更 改軟硬件 具有聯(lián)網(wǎng)通信功能等 主要就是 1 智能化 2 網(wǎng)絡(luò)化 3 集成化 4 微機電控制系統(tǒng) 5 數(shù)字化 1 性能發(fā)展方向 隨著柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機集成系統(tǒng)的不斷成熟 對數(shù)控加工技 7 術(shù)提出了更高要求 當(dāng)今數(shù)控機床信息化正朝著以下幾個方面發(fā)展 1 高速高精高效化 采用高速芯片 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) 并改善機床動 靜態(tài)特性等有效措施 2 柔性化 包含兩方面 數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性 群控系統(tǒng)的柔性 3 工藝復(fù)合性和多軸化 指一次裝夾后 完成多工序 多表面的復(fù)合加工 以減少工序 輔助時間為主要目的的復(fù)合加工 4 實時智能化 現(xiàn)代數(shù)控機床的智能化發(fā)展將通過快速作出實現(xiàn)最佳目標(biāo) 的智能決策 對機床的工藝參數(shù)進行實時控制 使機床的加工過程處于最佳狀態(tài) 基于 CAD 和 CAM 的數(shù)控編程自動化 6 發(fā)展可靠性最大化 它采用更高集成度的電路芯片 同時通過自動運行診 斷 在線診斷 離線診斷等多種診斷程序 實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件 軟件和各種外部設(shè) 備進行故障診斷和報警 2 功能發(fā)展方向 1 用戶界面圖形化 圖形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用 人們可以 通過窗口和菜單進行操作 便于藍圖編程和快速編程 三維彩色立體動態(tài)圖形顯示 圖形模擬 圖形動態(tài)跟蹤和仿真 不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現(xiàn) 2 科學(xué)計算可視化 可視化技術(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合 實現(xiàn)無圖紙設(shè)計 虛 擬樣機技術(shù)等 從而縮短產(chǎn)品設(shè)計周期 提高產(chǎn)品質(zhì)量 降低產(chǎn)品成本 在數(shù)控技 術(shù)領(lǐng)域 可視化技術(shù)可用于 CAD CAM 3 插補和補償方式多樣化 插補如直線插補 圓弧插補等 補償功能如間隙補 償 螺距和測量系統(tǒng)誤差補償 帶平滑接近和退出刀具半徑補償?shù)?4 內(nèi)裝高性能 PLC 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能 PLC 控制模塊 可直接用梯形圖或高 級語言編程 具有直觀的在線調(diào)試和在線幫助功能 5 多媒體技術(shù)應(yīng)用 可以做到信息處理綜合化 智能化 3 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 1 集成化 模塊化 采用高度集成化和大規(guī)?？删幊碳呻娐芬约皩Ｓ眉?電路 ASIC 芯片 可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運行速度 2 網(wǎng)絡(luò)化 機床聯(lián)網(wǎng)可進行遠程控制和無人化操作 8 通用型開放式閉環(huán)控制模式 采用此模式易于將實時智能技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 多 媒體技術(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) 仿真等融于一體 從而實現(xiàn)集成化 智能化 網(wǎng)絡(luò)化 3 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) 它將各高新技術(shù)融于一體 形成嚴密的制造 過程閉環(huán)控制體系 我國機床行業(yè)已擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和從低檔到高檔次的產(chǎn)品 但是 我國數(shù)控 機床領(lǐng)域與美國 日本和歐洲還有相當(dāng)?shù)牟罹?目前 越來越多的企業(yè)都在推廣和普及使用數(shù)控車床 為降低設(shè)備采購成本 一些中小企業(yè)通過將普通車床改造為數(shù)控車床 不但可以取得較好的應(yīng)用效果 還 可以充分利用舊的普通車床 從而延長了設(shè)備的使用壽命 提高了設(shè)備的利用率 為使數(shù)控改造取得滿意的效果 在改造過程中應(yīng)注意以下幾個方面問題 1 普通車床改造的工藝流程 一般情況下 機床可以保留的部分包括主軸箱 床身 大 中溜板 尾座等 機床改造前 應(yīng)先將要改造的機床進行大修處理 大修處理范圍包括 主軸箱傳動 精度調(diào)整 主軸徑向跳動及軸向竄動精度修復(fù) 機床導(dǎo)軌平面度及直線度 卡盤裝 夾精度調(diào)整等 達到一定精度要求后再進行數(shù)控改造 數(shù)控改造部分包括增加數(shù)控 裝置 X Z軸驅(qū)動器及驅(qū)動電機 換裝X Z軸滾珠絲杠及電動刀架 增加必要的控 制電器 開關(guān) 冷卻液及潤滑裝置改造等 2 數(shù)控裝置和驅(qū)動方式的選擇 一般情況下 數(shù)控改造有2種方案 1 步進電機 的開環(huán)系統(tǒng)方案 系統(tǒng)中沒有反饋電路 不帶 檢測裝置 控制指令單向傳遞 系統(tǒng)對工作臺的實際偏差不能修正 控制精度取決于步進電機的步進精度和傳動機構(gòu)的精度 其控制精度 不高 2 采用伺服電機的半閉環(huán)系統(tǒng) 檢測元件裝在電機軸或絲 杠軸的端部 一般是集成在伺服電機內(nèi) 系統(tǒng)的閉環(huán)控制環(huán)內(nèi)不包括 機械傳動環(huán)節(jié) 反饋的僅是進給傳動系統(tǒng)的部分誤差 一般是電機軸 或絲杠軸的角位移 角速度經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后成為工作臺的實際位移 由 于采用高分辨率的反饋檢測元件 主要是編碼器 且傳動部位具有補 9 償功能 因此 可以獲得比較滿意的精度與速度 二種方案相比 前者經(jīng)濟性好 后者加工精度較高 采用哪種方案關(guān)鍵要看加 工對象的精度要求 如果能夠滿足零件的加工精度要求 應(yīng)優(yōu)先采用步進電機的開 環(huán)方案 既可以保證零件的加工質(zhì)量 又可以有效降低改造成本 此外 數(shù)控裝置 的控制精度一定要和電機以及滾珠絲杠精度匹配 這樣才能實現(xiàn)最佳的加工效果 目前 國內(nèi)一些數(shù)控品牌如廣州數(shù)控 四維數(shù)控 華中數(shù)控 新方達等采用步進電 機的數(shù)控裝置都將PLC集成在數(shù)控裝置中 改造起來非常方便 控制精度也比較高 許多品牌和型號已經(jīng)可以達到微米級的控制精度 有著較高的性價比 可以優(yōu)先選 用 3 數(shù)控裝置要求數(shù)控裝置的選擇是數(shù)控改造的關(guān)鍵 性能過高 功能過多 會 造成改造成本的增加 反之如果性能較低 功能較少 則不一定能夠滿足加工需要 因此 需要結(jié)合零件的性能要求和基本屬性進行合理選用 滾珠絲杠的選用和安裝 按照循環(huán)結(jié)構(gòu)來分 滾珠絲杠可以分為內(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式 其中內(nèi)循環(huán)式又 可分為浮動式法蘭型螺母結(jié)構(gòu) 浮動式法蘭 直筒型墊片預(yù)緊螺母結(jié)構(gòu) 浮動式法 蘭 直筒型螺紋預(yù)緊螺母結(jié)構(gòu)等 外循環(huán)式包括插管埋入式法蘭型螺母結(jié)構(gòu) 插管 埋入式法蘭 直筒型墊片預(yù)緊螺母結(jié)構(gòu) 經(jīng)濟型數(shù)控改造方案最常用的是內(nèi)循環(huán)浮 動式法蘭型螺母結(jié)構(gòu)滾珠絲杠 該種結(jié)構(gòu)的絲杠具有成本低 傳動精度可靠的優(yōu)點 缺點是能夠承受的額定靜 動載荷較低 不適合大余量強力切削 滾珠絲杠的精度 一般可以分為7個等級 即1 2 3 4 5 7 10級 1級精度最高 依次逐漸降低 選擇的原則也要結(jié)合加工零件的精度要求以及與數(shù)控裝置和電機的控制精度相匹配 一般情況下 傳動精度主要有2個指標(biāo) 即行程偏差和行程變動量 雖然數(shù)控系統(tǒng)可 以對滾珠絲杠傳動誤差進行補償 但從應(yīng)用角度來講 絲杠的傳動精度要求也不能 過低 對于一般使用要求 滾珠絲杠在任意300 mm軸向行程內(nèi)的變動量應(yīng)不能超過 0 05mm 行程偏差小于0 02 mm 這樣才能確保整個工藝系統(tǒng)的改造精度 滾珠絲 杠在安裝時應(yīng)注意調(diào)整絲杠間隙 可用百分表測出具體的間隙值 在加工程序中予 以補償或重新調(diào)整絲杠間隙 絲杠兩端軸承座及其連接處剛性要好 否則易產(chǎn)生絲 杠軸向竄動 造成工件加工過程中軸向或徑向尺寸不穩(wěn)定 驅(qū)動器和驅(qū)動電機 如果采用步進電機驅(qū)動方案 驅(qū)動器和驅(qū)動電機可采用三相混合式步進電機驅(qū) 10 動器和驅(qū)動電機 目前國內(nèi)一些品牌驅(qū)動器已采用五相混合式 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)一般為 高速單片機嵌入式 通過優(yōu)化電路 提高控制性能 驅(qū)動方式采用PWM 脈寬調(diào)制 恒 流斬波控制 三相正弦波電流輸出 并提供零位信號輸出 應(yīng)具備矢量細分技術(shù) 電機每轉(zhuǎn)細分應(yīng)不小于12 000脈沖 0 03 以確保驅(qū)動精度的可靠性 并具備完善 的過載 過熱 過壓 短路等保護功能 控制精度要與CNC裝置的控制精度和滾珠螺 母絲杠精度相匹配 功放電壓應(yīng)達到DC300 V 以確保電機高速運轉(zhuǎn)時仍有高轉(zhuǎn)矩輸 出 具備掉電相位記憶功能 驅(qū)動斷電后自動記憶當(dāng)前相位 位置脈沖方式為單 雙脈沖控制 整 半步運行模式 步進電機要求低速運行平穩(wěn) 最高轉(zhuǎn)速不小于1 500 r min 以滿足高速加工的需要 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩可視比 可 以優(yōu)先選用 主軸調(diào)速改造 普通機床進行數(shù)控改造時主軸調(diào)速一般有自動和手動2種方案可供選擇 自動方 案是主軸電路上增加主軸變頻器 通過在程序中指令設(shè)定 調(diào)整變頻器輸出頻率 從而達到改變電機運行頻率和速度的目的 采用變頻器變頻的最大優(yōu)點是可以采用 機床原來的主軸普通電機 方便的進行轉(zhuǎn)速調(diào)控 因而改造成本較低 缺點是普通 電機通過變頻在較低轉(zhuǎn)速運行時 運行穩(wěn)定性較差 不利于提高零件的加工精度 因此 采用此種方法進行主軸變速時不能設(shè)定太低的轉(zhuǎn)速 如果零件加工確實需要 在低轉(zhuǎn)速情況下進行 且加工精度有一定要求 則應(yīng)將主軸電機更換為專用變頻電 機 如果采用手工變速方案 則不需要對主軸傳動系統(tǒng)的電路做任何改制 只需要 在變速的程序段指令前加暫停指令 Go4或MO 使機床暫時停止運行 手工調(diào)整主軸 箱轉(zhuǎn)速后 繼續(xù)執(zhí)行后面程序指令加工零件即可 數(shù)控裝置應(yīng)具備以下基本性能要求 1 硬件的要求 數(shù)控裝置應(yīng)能滿足交流伺服 混合式步進 反應(yīng)式步進等多種驅(qū)動系統(tǒng)的要求 采用16位以上的CPU 主頻速度較高 大規(guī)模的CPLD可編程芯片 以確保復(fù)雜曲面的 插補計算速度 液晶顯示屏幕可盡量大一些 以方便進行編程 數(shù)據(jù)的觀察 中文 菜單全屏幕編輯 具備快捷鍵功能 操作簡單 具有試刀 對刀功能 可實現(xiàn)任意 點起動 任意點結(jié)束 具有刀補 換刀 主軸倍率 進給倍率功能 若對切削有特 殊需要 還應(yīng)考慮增加D A無級變速功能 使之滿足恒線速切削要求 11 2 對性能的要求 控制精度應(yīng)小于0 01 mii1 加工程序存儲量應(yīng)不小于32 kB并具有斷電保護功 能 工作狀態(tài)應(yīng)包括文件管理 空運行 手動 自動 回零 MDI及對刀等基本的功 能 編程方式包括增量編程和絕對編程 能實現(xiàn)各坐標(biāo)反向間隙補償及刀具補償 可實現(xiàn)直線插補 圓弧插補 螺紋插補 循環(huán)加工等基本G指令 以滿足零件結(jié)構(gòu)多 樣化加工需要 T 刀具 功能完備 一般應(yīng)具有8刀位控制 8組刀補功能 并可實現(xiàn) 換刀偏置 試切對刀 自動補償?shù)裙δ?M功能完備 應(yīng)可實現(xiàn)4個停止指令 MOO M01 M02 M30 主軸正 反轉(zhuǎn) 發(fā)信 程序跳轉(zhuǎn) 子程序調(diào)用等 3 對通信接口的要求 由于數(shù)控裝置程序存儲量有限 為方便地實現(xiàn)程序的輸入 輸出和外部存儲 數(shù)控裝置上最好具有通信接口 常用的RS232接口就可以滿足其要求 4 對參數(shù)設(shè)定功能的要求 參數(shù)設(shè)定功能應(yīng)包括設(shè)定工件號 快進速度 刀架反轉(zhuǎn)時間 主軸最高轉(zhuǎn)速 順序號增量 間隙補償 換刀偏置等 通過對上述參數(shù)的設(shè)置 可使編程及對絲杠 和刀具參數(shù)的設(shè)置更加方便 有利于加工效率和加工精度的提高 5 文件管理功能 基本的文件管理功能應(yīng)包括程序段號 容量的顯示 可以使程序段清晰并及時 提醒操作者對程序進行管理 全屏幕程序編制 檢查和修改使編程操作舒適方便 程序診斷 復(fù)制 刪除等功能 可實現(xiàn)程序管理的簡便以及對程序的校驗和相似程 序的復(fù)制修改 6 對通信接口的要求 由于數(shù)控裝置程序存儲量有限 為方便地實現(xiàn)程序的輸入 輸出和外部存儲 數(shù)控裝置上最好具有通信接口 常用的RS232接口就可以滿足其要求 7 對參數(shù)設(shè)定功能的要求 參數(shù)設(shè)定功能應(yīng)包括設(shè)定工件號 快進速度 刀架反轉(zhuǎn)時間 主軸最高轉(zhuǎn)速 順序號增量 間隙補償 換刀偏置等 通過對上述參數(shù)的設(shè)置 可使編程及對絲杠 和刀具參數(shù)的設(shè)置更加方便 有利于加工效率和加工精度的提高 8 冷卻液及潤滑系統(tǒng)改造 一般情況下 不需要對機床原來的冷卻系統(tǒng)進行特殊改動 從經(jīng)濟性上考慮 12 可以采用手工打開卻液泵進行加工過程中零件的冷卻 如果有特殊要求 一般CNC系 統(tǒng)上都有冷卻液接口 可通過PLC設(shè)置 實現(xiàn)冷卻液的自動開關(guān) 機床潤滑系統(tǒng)改造 可以采用加裝潤滑泵 通過PLC設(shè)定潤滑時間的方法進行改造 潤滑時間可設(shè)定為工 作若干時間進行潤滑加油的定時潤滑方式 這樣可極大地降低手工潤滑的勞動強度 提高設(shè)備的保養(yǎng)水平 9 電器系統(tǒng)改造 如果改造的車床使用年限已經(jīng)較長 可以利用數(shù)控改造將現(xiàn)有的電器部分進行 更新 如果設(shè)備沒有特殊的功能要求 電器改造比較簡單 主要增加的電器元件包 括主軸 絲杠電機變壓器 X Z軸驅(qū)動器 電動刀架控制器 以及必要的控制開關(guān) 繼電器等 若主軸有變速需要 則需要增加變頻電機或變頻器 10 數(shù)控改造后機床應(yīng)達到的基本技術(shù)要求 無論是采用步進電機的開環(huán)系統(tǒng)還是采用伺服電機的半閉環(huán)系統(tǒng) 數(shù)控改造后 機床的主要技術(shù)性能必須滿足如下要求 床身導(dǎo)軌平行度 O 01 mm 縱向?qū)к壴诖怪逼矫鎯?nèi)的直線度 O 02 mm 橫向?qū)к壍钠叫卸?O 03 mm 溜板移動在水平面內(nèi)直線度 O 015 mm 重復(fù)定位精度 Z軸 O 01 mm x軸 O 01 mm 定位精度Z軸 O 02 mm X軸 0 02 mm 精車外圓精度 圓度 0 005 mm 圓柱度 O 03 mm 端面平行度 0 02 ram 300 mm 數(shù)控改造后 機床的技術(shù)性能只有符合上述要求 才能確保數(shù)控設(shè)備高精度 高性能 高效率的優(yōu)點 滿足各種通用加工的需要 本文對 C6140 車床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造的主要過程 1 收集車床的技術(shù)參數(shù) 進行數(shù)控化改造的方案設(shè)計和總體設(shè)計 2 具體地完成對開環(huán)控制系統(tǒng)機械部分的改造設(shè)計計算 3 依據(jù)設(shè)計計算和改造實際繪制除了改造后車床的 X 軸 和縱向 軸 的設(shè)計裝配圖 以及總外型布局圖 4 分析在數(shù)控改造中出現(xiàn)的問題 以及解決問題的建議 方法 13 正文 1 總體設(shè)計方案 機床改造中應(yīng)該注意的問題 1 在改造前 應(yīng)對要改造的機床進行全面的檢查和修理 使其恢復(fù)原 有的精度或盡量高的精度 這樣才能保證在實施改造后 機床的精度不至于 降低 2 改造時 應(yīng)盡量保留機床的原有功能 特別是手動功能 如此可為 操作人員提供方便的 加工條件 3 原有車床的傳動鏈終端一般為 T 型絲杠 它的傳動精度低 運動阻 力大 所以應(yīng)把它改為滾動絲杠 4 在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 平面和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)的改造中 應(yīng)將支架設(shè)計為 活動式 以便于拆除 為平面坐標(biāo)系方式的加工提供方便 1 1 對機床改造的方案 經(jīng)改造的主要有機械部分和數(shù)控部分 系統(tǒng)保留原有的手動機構(gòu) 將 C6140 車床數(shù)控化改造后 使系統(tǒng)能夠控制主軸轉(zhuǎn)速 并實現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)控制 工作臺 實現(xiàn)其縱 橫向進給運動 控制冷卻和潤滑 通過鍵盤輸入加工程序 C6140 車床數(shù)控化改造后半自動的 床身的上部內(nèi)裝主軸傳動系統(tǒng)為主軸變速系 統(tǒng) 這部分采用原機床的主軸傳動系統(tǒng) 床身的底部是可作冷卻液箱的底座 數(shù)控 系統(tǒng)顯示器及按鍵位于操作者的右邊 便于觀察 調(diào)試和操作 床身右側(cè)的電器箱 內(nèi)裝有兩坐標(biāo)的進給伺服控制系統(tǒng) 床身左側(cè)的電器箱內(nèi)裝有主控器和強電系統(tǒng) 顯示器采用 LED 用以顯示輸入的程序 機床的實際位置和已存儲的各種信息 手動 操作時 顯示器可作為數(shù)字讀出裝置使用 數(shù)控系統(tǒng)采用為兩坐標(biāo) 開環(huán)控制 由步進電機經(jīng)一級齒輪減速后驅(qū)動 14 可實現(xiàn)兩坐標(biāo)直線插補和兩坐標(biāo)圓弧插補 采用 系列單片機組成微機 控制系統(tǒng) 它的可靠性高 能在惡劣的環(huán)境下工作 且功能強 速度高 數(shù)控系統(tǒng) 還有刀具長度偏移和半徑補償功能 自診斷功能 可進行自動加 減速 并具有備 用電池 停電是可做存儲已編程序的電極 采用 微機對數(shù)據(jù)進行計算 處理 由 I O 接口輸出脈沖信號 經(jīng)光電隔離電路 功率放大再傳給步進電機 驅(qū) 動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動 從而實現(xiàn) X Y 兩個方向的進給運動 總體設(shè)計如下圖 1 1 所示 圖 1 1 步進電機 工 作 臺 向 工 作 臺 向步進電機信 號 分 配 及 放 大 電 路信 號 分 配 及放 大 電 路單 片 機 系統(tǒng)控制原理圖 1 2 實現(xiàn)的目標(biāo) 論文中主要討論在對 C6140 車床進行數(shù)控化改造 C6140 車床是車圓柱面和車 螺紋的通用機床 它沒有準(zhǔn)確可靠的定位裝置 車工件時位置精度一般靠模板的精 度和人工劃線的精度來保證 故其加工精度低于數(shù)控機床 由于普通車床的柔性差 不能滿足市場對形狀復(fù)雜 精度高 小批量 多品種零件需求 而數(shù)控化改造后系 統(tǒng)采用步進電機為驅(qū)動執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng) 并且采用 CNC 數(shù)控系統(tǒng)控制 X Y 工 作臺 即采用以 MCS 51 單片機為控制系統(tǒng) 實現(xiàn)兩坐標(biāo)聯(lián)動改造 使得改造后的機 床能加工除了車圓柱面和車螺紋等簡單的零件外 還能加工形狀復(fù)雜 如加工圓弧 面 斜面等 的零件 且加工精度高 效率高 滿足市場的需求 且價格較廉 15 2 傳動系統(tǒng)的改造 2 1 機械部分的數(shù)控化改造 數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的主要特點 1 結(jié)構(gòu)簡單 操作方便 自動化程度高 2 廣泛采用高效 無間隙傳動裝置和新技術(shù) 新產(chǎn)品 3 具有適應(yīng)無人化 柔性化加工的特殊部件 4 對機械結(jié)構(gòu) 零部件的要求高 主傳動系統(tǒng)不變 進給系統(tǒng)采用滾動絲桿副螺母副代替原有絲杠副 以提高機 床運行精度 考慮到改造的目標(biāo)及成本的原因 決定 C6140 車床的主軸支承仍采用 滾動軸承支承 導(dǎo)軌仍使用動壓導(dǎo)軌 2 2 進給傳動系統(tǒng)的改造 2 2 1 改造要求 進給伺服系統(tǒng)改造后性能的好壞將直接影響到整個系統(tǒng)的性能的好壞 也因此 對進給伺服系統(tǒng)提出了改造設(shè)計要求 1 提高傳動部件的剛度 減小傳動部件的慣量 2 減小傳動部件的間隙 并減小系統(tǒng)的摩擦阻力 3 高精度 就是說伺服系統(tǒng)的輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度 4 穩(wěn)定性好 指系統(tǒng)在給定輸入或受外界干擾作用下 能在短暫的調(diào)節(jié)后 達到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài) 5 快速響應(yīng) 無超調(diào) 它是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo) 反映了系統(tǒng) 的跟蹤精度 6 低速大轉(zhuǎn)矩 機床加工的特點是在低速時進行重切削 因此 要求伺服系 統(tǒng)在低速時要有大的轉(zhuǎn)矩輸出 7 調(diào)速范圍寬 指機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比 在數(shù)控 機床中 由于加工用刀具 被加工材質(zhì)及零件加工要求的不同 為保證在任何情況下都 能得到最佳切削條件 就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍 2 2 2 進給機構(gòu)的改造 考慮到該數(shù)控系統(tǒng)是開環(huán)控制 沒有位置反饋 故進給系統(tǒng)盡可能的要減少中 16 間傳動環(huán)節(jié) 本車床的 X Y 兩軸進給系統(tǒng)去掉了原來的進給系統(tǒng)的中間傳動環(huán)節(jié) 直接采用了步進電機 一級減速齒輪 滾珠絲桿的傳動方案 拆除原來的絲桿 增 加少量的機械附件 就可安裝步進電機及滾珠絲桿螺母副 帶動工作臺移動 我們選 用步進電機的型號為 110BF003 步進電機步距角選用 扭距是 7 84Nm 電 75 0 b 機脈沖當(dāng)量 stepmP01 2 2 3 導(dǎo)軌副的改造 C6140 車床采用的是鑄鐵 淬火剛滑動導(dǎo)軌 動 靜摩擦系數(shù)相差較大 低速易 出現(xiàn)爬行 平穩(wěn)性和定位精度較低 能量損失大 在數(shù)控改造中可采用在原導(dǎo)軌上 粘貼聚四乙炔軟帶涂層的方法 以減小摩擦系數(shù) 增加耐磨性 且具有良好的自潤 滑性和抗震性 該方法實現(xiàn)易 費用低 2 3 縱向 向 進給系統(tǒng)改造 2 3 1 改造要求及目標(biāo) 工作臺的進給運動是由步進電動機由一級消隙齒輪經(jīng)滾珠絲杠螺紋副 帶動工 作臺移動 其中在縱向 軸 進給系統(tǒng)的改造布置中 滾珠絲杠 軸承支架固定 在工作臺上 隨工作臺移動 步進電動機經(jīng)降速齒輪和滾珠絲杠的螺母固定在床鞍 上 通過滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動 實現(xiàn)工作臺與床鞍之間的相對移動 滾珠絲杠螺母副 它的特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動元件 以減少摩擦 絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦 滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點有 1 傳動效率高 摩擦損失小 使用壽命長 2 給予適當(dāng)預(yù)緊 可消除絲杠和螺母的螺紋間隙 反向時就可以消除空程死區(qū) 防止失步 定位精度高 剛度好 3 有可逆性 絲杠和螺母都可以作為主運動件 故可以從旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線 運動 也可以從直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動 4 運動平穩(wěn) 無爬行現(xiàn)象 傳動精度高 附 C6140 車床的主要參數(shù)如下表 2 1 表 2 1 工作臺面寬 長 mm 320 1250 工作臺最大行程 mm 橫向 400 17 縱向 750 主軸轉(zhuǎn)速 r min 20 1500 最大工件質(zhì)量 Kg 150 橫向 1 54 快速進給速度 m min 縱向 2 3 機床進給部件重量 N 橫向 4410 縱向 2156 2 3 2 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計 機床進給部件參數(shù)初選 橫向工作臺及夾具重量 3000 N 估計值 Gx 滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 6mm0L 螺紋升角 行程 S 750mm 039 快速進給速度 2m min 經(jīng)驗值 maxV 2 3 3 切削力的計算 現(xiàn)在以工作壽命和實際加工過程中的最大切削力為基礎(chǔ)進行設(shè)計計算 以確保 平常工作狀態(tài)下的工作安全和可靠 由 機床設(shè)計手冊 可知 切削功率 N KcN 公式中 N 電機功率 查機床說明書 N 4KW 主傳動系統(tǒng)總效率 一般為 0 6 0 7 取 0 65 K 進給系統(tǒng)功 率系數(shù) 取 K 0 96 則 4 0 65 0 96 2 946KWc 又因為 F Z v6120N FZ 6120NC v 式中 v 切削線速度 取 v 100m min 主切削力 FZ 6120 2 496 100 152 76 kgf 1527 6 N 由可知 主切削力 FZ CFZapXFZfYfzKFZ 查表得 C FZ 188kgf mm2 1880Mpa XFZ 1 YFZ 0 75 KFZ 1 18 則可計算 FZ如表 2 2 所示 表 2 2 ap mm 2 2 2 3 3 3 f mm 0 2 0 3 0 4 0 2 0 3 0 4 FZ N 1125 1524 1891 1687 2287 2837 當(dāng) FZ 1520N 時 切削深度 ap 2mm 走刀量 f 0 3 以次參數(shù)作為下面計算的依據(jù) 從 機床設(shè)計手冊 中可知 在一般車削外圓時 FX 0 1 0 6 F Z FY 0 154 0 7 F Z 取 FX 0 5 FZ 0 5 1527 6 763 8N FY 0 6 FZ 0 6 1527 6 916 5N 2 3 4 滾珠絲杠設(shè)計計算 綜合導(dǎo)軌車床絲桿的軸向力 P K FX f FZ W 式中 K 1015 f 0 15 0 18 取 K 0 16 則 P 1 15 763 8 0 16 1527 6 800 1250 8N 1 強度計算 壽命值 Li 60niTi 106 Ni n 主 f L0 1000vf DL0 取工件直徑 D 80mm 查表得 T i 15000h 則 n i 100 100 0 3 3 14 80 6 20r min Li 18 最大動負載 Q PfWfhLi3 查表得運轉(zhuǎn)系數(shù) f W 1 2 硬度系數(shù) fH 1 則 Q 1 2 1 1250 8 3933 6N318 根據(jù)最大動負載荷 Q 的值 可以選擇滾珠絲杠的型號 參照汗江機床廠的產(chǎn)品 19 樣本選取 FC1B 系列 滾珠絲杠直徑為 型號為 FC1B32 5 E2 其額定動32 6 載荷是 10689N 所以強度足夠 2 效率計算 根據(jù) 機械原理 公式 絲杠螺母副的傳動效率 為 tg 式中 摩擦角 10 螺旋升角 3 25 0 935166 t 3 剛度驗 算 滾珠絲杠工作負載 p 引起的道程變化量 1 L EF P0 式中 L 0 6mm 0 6cm E 20 6 166N cm2 滾珠絲杠截面積 F 2 2 8031 2 2 3 14 d 則 L1 5 9 10 6 14 3 280 6 5 滾珠絲杠受扭拒引起的導(dǎo)程變化量很小 可忽略 即 L L1 所以 導(dǎo)程變形 總誤差 為 100 L0 L 100 0 6 5 9 10 6 9 8 m m 查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差 1m 長 為 15 m m 故剛度足夠 4 穩(wěn)定性驗算 由于機床原絲桿直徑為 30mm 現(xiàn)選用的滾珠絲杠直徑為 32mm 支撐方式不變 所以穩(wěn)定性不存在問題 可不進行驗算 2 3 5 有關(guān)齒輪計算 傳動比 I L0 360 P 0 75 6 360 0 01 1 25 齒輪材料極其許用應(yīng)力的確定 小齒輪用 45 表面淬火 齒面硬度為 45HRC 20 大齒輪用 45 調(diào)質(zhì)處理 表面硬度為 220HBS 因 Hlim1 1120Mpa Hlim2 550Mpa SH 1 1 故 H1 1190Mpa H2 500Mpa 因 Flim1 240Mpa Flim2 190Mpa SF 1 3 F1 185Mpa F2 146Mpa 齒面接觸強度設(shè)計 設(shè)齒輪按 8 級精度選 取載荷系數(shù) K 1 5 齒寬 a 0 4 粗取 Z 1 32 Z2 Z1i 23 1 25 40 滿足誤差要求 取齒輪壓力角 a 200粗選模數(shù) m 2 則 小齒輪直徑 d1 m Z1 64mm 大齒輪直徑 d2 m Z2 80mm da1 d1 2ha 68mm da2 d2 2ha 68mm 中心距 a m Z1 Z2 2 72mm 齒寬為 大齒輪 b 2 a a 30mm 小齒輪 b 1 35 補償安裝誤差 2 3 6 轉(zhuǎn)動慣量的計算 工作太折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 J1 180 P 2W 180 0 01 3 14 0 75 2 80 0 468kg cm2 4 68N cm2 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 JS 7 8 10 4D4L1 114 75N cm2 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 JZ1 7 8 10 4 6 44 2 26 17N cm2 JZ2 7 8 10 4 84 2 63 9N cm2 電機的轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略 21 因此總的轉(zhuǎn)動慣量 J J S JZ2 i 2 JZ1 JS 145 19N cm2 2 3 7 所需轉(zhuǎn)動力矩的計算 快速空載啟動時所需力矩 M Mamx Mf M0 最大切削負載所需力矩 M Mat Mf M0 Mt 快速進給時所需力矩 M Mf M0 式中 M amx 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩 Mf 折算到電機軸上的摩擦力矩 M0 由于絲杠預(yù)緊所引起 折算到電機軸上的附加摩擦力矩 Mat 切削時折算到電機軸上的加速度力矩 Mt 折算到電機軸上的切削負載力矩 Ma Jn 9 6T 10 4N m 當(dāng) n nmax Ma nmax vmaxi L0 416 7r min Mamax 2 52N m 25 72kgf cm 當(dāng) n nt時 M a Mat nt n 主要 的 ft L0 24 88r min 1iVfDL Mat 0 1505N m 1 536kgf cm Mf 00F2LfWii 當(dāng) 0 8 f 0 16 時 Mf 12 23N cm M0 1 F2Li 20 22 當(dāng) 0 9 時預(yù)加載荷 P0 3 1FS 則0 M t 76 38 0 6 2 3 14 0 8 1 25 0 462kg cm 72 97N cmF2Li 所以 快速空載起動所需力矩 M Mamax Mf M0 274 05N cm 切削時所需力矩 M M f M0 Mamax 105 18 快速進給時所需力矩 M Mf M0 16 85N cm 由以上分析計算可知 所需最大力矩 Mmax發(fā)生在快速啟動時 Mamax 27 405kgf cm 274 05N cm 2 4 橫向 Y 向 進給系統(tǒng)設(shè)計與計算 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計 經(jīng)濟型數(shù)控改造的橫向進給系統(tǒng)的橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計比 較簡單 一般是步進電機安裝在大拖板上 法蘭盤將步進電機和機床大拖板連接起 來 以保證其同軸度 提高傳動精度 已知條件 工作臺重 估算 W 40kgf 300N 時間常數(shù) T 4mm 左旋 行程 mm 脈沖當(dāng)量 步矩角 step 快速進給速度 v max 1m min 2 4 1 切削力計算 橫向進給量為縱向的 取 則切削力約為縱向力的 kgf 763 8N 在切斷工件時 y 0 5FZ 0 5 76 38 38 19kgf 381 9N 23 2 4 2 滾珠絲杠設(shè)計計算 1 強度計算 對于燕尾型導(dǎo)軌 F y f FZ W 取 f 0 2 則 kgf 747 4N 壽命值 i n iTi 106 13 5 最大動負載 fHP 213 55kgf 2135N3iL 根據(jù)最大負荷 的值 可選擇滾珠絲杠的型號 滾珠絲杠直徑為 mm 型號 為 c1B20 4 5 E2左 其額定動負荷 所以強度足夠用 效率計算 根據(jù) 機械原理 公式 絲杠螺母副的傳動效率 為 tg 式中 摩擦角 10 螺旋升角 3 28 0 956 t 2 剛度驗算 滾珠絲杠工作負載 p 引起的道程變化量 1 L EF P0 式中 L 0 4mm 0 4cm E 20 6 1 10 6N cm2 滾珠絲杠截面積 F 2 3 14 d 27419 則 L1 5 96 10 6 26 0 4 37 24 滾珠絲杠受扭拒引起的導(dǎo)程變化量很小 可忽略 即 L L1 所以 導(dǎo)程變形 總誤差 為 100 L0 L 100 0 4 5 96 10 6 14 9 m m 查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差 1m 長 為 15 m m 故剛度足夠 3 穩(wěn)定性驗算 由于選用滾珠絲杠的直徑不變 而支撐方式由原來的一端固定 一端懸空 變 為一端固定 一端徑向支撐 所以穩(wěn)定性增強 故不在驗算 2 4 3 齒輪及轉(zhuǎn)矩的計算 傳動比 I L0 360 P 0 75 4 360 0 005 1 67 齒輪材料極其許用應(yīng)力的確定 小齒輪用 45 表面淬火 齒面硬度為 45HRC 大齒輪用 45 調(diào)質(zhì)處理 表面硬度為 220HBS 因 Hlim1 1120Mpa Hlim2 550Mpa SH 1 1 故 H1 1190Mpa H2 500Mpa 因 Flim1 240Mpa Flim2 190Mpa SF 1 3 F1 185Mpa F2 146Mpa 齒面接觸強度設(shè)計 設(shè)齒輪按 8 級精度選 取載荷系數(shù) K 1 5 齒寬 a 0 4 粗取 Z 1 18 Z2 Z1i 18 1 67 30 滿足誤差要求 取齒輪壓力角 a 200粗選模數(shù) m 2 則 小齒輪直徑 d1 m Z1 36mm 大齒輪直徑 d2 m Z2 60mm da1 d1 2ha 40mm da2 d2 2ha 64mm 中心距 a m Z1 Z2 2 96mm 齒寬為 25 大齒輪 b 2 a a 40mm 小齒輪 b 1 45 補償安裝誤差 2 4 4 轉(zhuǎn)動慣量的計算 工作太折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 J1 180 P 2W 180 0 005 3 14 0 75 2 3 100 0 0439kg cm2 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 JS 7 8 10 4D4L1 0 624kg cm2 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 JZ1 7 8 10 4 3 6 2 0 262kg cm2 JZ2 7 8 10 4 64 2 2 022kg cm2 電機的轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略 因此總的轉(zhuǎn)動慣量 J J S JZ2 i 2 JZ1 JS 1 258kg cm2 2 4 5 所需轉(zhuǎn)動力矩的計算 快速空載啟動時所需力矩 M Mamx Mf M0 最大切削負載所需力矩 M Mat Mf M0 Mt 快速進給時所需力矩 M Mf M0 式中 M amx 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩 Mf 折算到電機軸上的摩擦力矩 M0 由于絲杠預(yù)緊所引起 折算到電機軸上的附加摩擦力矩 Mat 切削時折算到電機軸上的加速度力矩 Mt 折算到電機軸上的切削負載力矩 Ma Jn 9 6T 10 4N m 當(dāng) n nmax Ma nmax vmaxi L0 416 7r min 26 Mamax 0 2184N m 2 23kgf cm 當(dāng) n nt時 M a Mat nt n 主要 的 ft L0 33 17r min 1iVfDL Mat 0 0174N m 0 1775kgf cm Mf 00F2LfWii 當(dāng) 0 8 f 0 2 時 Mf 0 028N cm M0 1 F2Li 20 當(dāng) 0 9 時預(yù)加載荷 P0 3 1FS 則 M t 38 19 0 4 2 3 14 0 8 5 0 287kg cm 0 028N cm02i 所以 快速空載起動所需力矩 M Mamax Mf M0 2 633N cm 切削時所需力矩 M M f M0 Mamax 24 04N cm 快速進給時所需力矩 M Mf M0 4 03N cm 由以上分析計算可知 所需最大力矩 Mmax發(fā)生在快速啟動時 Mamax 2 633kgf cm 26 33N cm 3 步進電機的選擇 3 1 步進電機選用的基本原則 合理選擇步進電機是比較復(fù)雜的問題 需要根據(jù)電機在整個系統(tǒng)中的實際工 作情況 經(jīng)過分析后才能正確的選擇 基本原則如下 1 步矩角 mn i 式中 i 傳動比 mn 系統(tǒng)對步進電機所驅(qū)動部件的最小轉(zhuǎn)角 27 2 精度 步進電機的精度可用步距誤差或積累誤差衡量 積累誤差是指轉(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 用積累誤差衡量 精度比較實用 所選用的步進電機應(yīng)滿足 i 式中 m 步進電機的積累誤差 s 系統(tǒng)對步進電機驅(qū)動部分允許的角度誤差 3 轉(zhuǎn)矩 為了使步進電機正常運行 不失步 不越步 正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的 要求 必須考慮 啟動力矩 一般啟動力矩選取為 M 5 0 3rM 式中 M q 電動機啟動力矩 ML0 電動機靜負載荷 2 在要求的運行頻率范圍內(nèi) 電動機運行力矩應(yīng)大于電動機的靜載力矩與 電機轉(zhuǎn)動慣量 包括負載的轉(zhuǎn)動慣量 引起的慣性矩之和 4 啟動頻率 由于步進電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 ft fop m 式中 f t 極限啟動頻率 f op m 要求步進電機最高啟動頻率 3 2 步進電機的選擇 1 C6140 縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定 q cmNMr 125 684 0527 0 為滿足最小步距的要求 電動機選用三想六拍工作方式 查表知 q Mjm 0 866 所以 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjm Mjm q 0 866 791 14N cm 步進電機的最高工作頻率 fmax vmax 60 2000 60 0 01 3333 3HzP 綜合考慮 查表選用 110BF003 型直流步進電機 能夠滿足使用要求 28 2 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 q cmNML 825 64 0132 電動機仍選用三相六拍工作方式 查表知 q im 0 866 所以 步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩 im為 im N cm01 768 256 0 qM 步進電動機最高工作頻率 fmax 3333 3Hzpv 60max05 為了便于設(shè)計和采購 仍選用 110BF003 型直流步進電動機 能夠滿足使用要求 4 分析誤差來源 4 1 機械結(jié)構(gòu)原因 由于系統(tǒng)的縱 橫向都是開環(huán)進給控制系統(tǒng) 沒有反饋檢測系統(tǒng) 無法消除機 械傳動部件間隙誤差 如滾珠絲杠反向間隙誤差 齒輪隙誤差及支撐結(jié)構(gòu)和軸系變 形引起的誤差 步距角精度和導(dǎo)軌副的精度等 從而產(chǎn)生累積誤差 而滾珠絲杠的誤差主要是指反向間隙誤差 由于滾珠絲杠與螺母之間的軸向間 隙 導(dǎo)致反向運動時的空程誤差 引起失步 它將直接影響到工作臺的進給精度 引起齒輪傳動誤差最主要的是側(cè)隙誤差 4 2 齒輪副誤差補償分析 對于由齒輪間隙引起的誤差可采取雙片薄齒齒輪錯齒調(diào)整法來消除 兩個嚙合 的直齒圓柱齒輪中的小齒輪采用寬齒輪 另一個由兩片可以相對轉(zhuǎn)動的薄片齒輪組 成 裝配時使一片薄齒輪的齒左側(cè)分別緊貼在寬齒輪的左 右兩側(cè) 通過兩薄片齒 輪錯齒 消除齒側(cè)間隙 反向時也不會出現(xiàn)死區(qū) 錯齒齒輪如圖 5 2 1 所示 兩薄 片齒輪上各裝入有螺紋的凸耳 1 3 轉(zhuǎn)動螺母 7 可改變彈簧 6 的張力大小 而調(diào)節(jié) 齒輪 2 4 的相對位置 達到錯齒的目的 4 3 滾珠絲杠副誤差補償分析 滾珠絲杠副可采用預(yù)緊方式來減小滾珠絲杠副的軸向回程間隙誤差 工作原理 29 是在滾珠螺母體內(nèi)的兩側(cè)循環(huán)滾珠鏈之間 使內(nèi)螺紋滾道在軸向預(yù)制 L0 的導(dǎo)程突 變量 在兩列滾珠間產(chǎn)生軸向錯位而實現(xiàn)預(yù)緊 L0 的大小和單列滾珠徑向間隙決 定預(yù)緊力大小 如圖 4 3 所示 L0 圖 4 3 單螺母變位導(dǎo)程式預(yù)緊 結(jié)論 依照我國目前的數(shù)控機床發(fā)展?fàn)顩r及我國的國情 對原有的普通機床進行數(shù)控 化改造是符合當(dāng)前狀況的 對普通 C6140 車床的數(shù)控化改造是為了擴大產(chǎn)品加工范 圍和提高加工精度 效率 質(zhì)量 進而滿足市場多變的要求 小批量 多品種 柔 性化加工 改造后的 C6140 車床不僅能夠完成加工圓柱面 孔等一般加工 還能加 工復(fù)雜的零件 且精度高 對普通 C6140 車床改造的總體思路是把 C6140 改造成 X Y 兩坐標(biāo)能聯(lián)動的經(jīng)濟 型數(shù)控車床 由程序控制實現(xiàn)柔性化加工 從總體方案設(shè)計開始 確定了改造的目 標(biāo) 經(jīng)濟型數(shù)控車床 全文進行了機械部分和數(shù)控部分的改造設(shè)計 最后進行了系 統(tǒng)的誤差分析 在 C6140 的數(shù)控化改造中有如下特點 1 為了不大量改變原有的機械結(jié)構(gòu) 本設(shè)計保留原有手動功能手柄 且只 把原機床的普通絲杠改為滾動絲杠 2 在橫向和縱向的改造設(shè)計計算中 突出步進電機 減速箱和滾珠絲杠設(shè) 計計算的連貫性 計算合理的準(zhǔn)確性 3 在論文的最后進行系統(tǒng)的誤差分析 并提出自己的建議 方法 但是還有一些不足之處 如 1 在對整個系統(tǒng)的改造中 由于缺乏實踐的條件 對機床改造的結(jié)構(gòu)還欠 合理 只有理論與實踐相結(jié)合才能改造設(shè)計出理想的結(jié)構(gòu) 30 2 對論文的結(jié)構(gòu)安排還有待進一步的權(quán)衡 31 致謝 首先我要感謝我的指導(dǎo)老師楊健老師 是楊健老師不厭其煩 悉心的教導(dǎo) 讓 我能地完成該課題的論文 我還要感謝在大學(xué)本科四年學(xué)習(xí)期間的各位任課老師的 解惑授業(yè) 讓我習(xí)得了扎實的基礎(chǔ)及專業(yè)知識 楊老師的治學(xué)態(tài)度 執(zhí)著的科學(xué)精 神 對學(xué)生的耐心指導(dǎo) 所有的這一切都讓我受益匪淺 讓我懂得了治學(xué) 做人的 道理 并將讓我終身受益 還有我特別要感謝的是我的父母 是他們一直在默默地支持著我 不斷給我以 關(guān)懷和信心 讓我學(xué)會積極的人生態(tài)度和樹立正確的人生觀 世界觀 豐富的大學(xué)生活 自然不能少了我的同窗之友 彼此的互相幫助 互相關(guān)心 生活中分享彼此的歡樂 共擔(dān)煩惱 這一切都讓我的大學(xué)生活變的無比多彩 生活 在這樣一個彼此充滿關(guān)愛團隊中 各位好友的優(yōu)點就是我不斷進步的源泉 借此機 會 我向諸位同窗好友表示感謝 好運伴左右 大學(xué)的學(xué)習(xí)生活給了我面對未來一切挑戰(zhàn)的技能 開創(chuàng)美好未來的資本 所以 我還要感謝給予我機會感受大學(xué)生活 給予我能力的母校 成都理工大學(xué) 32 參 考 文 獻 1 楊可楨 程光蘊主編 機械設(shè)計基礎(chǔ) 北京 高等教育出版社 1988 2 董玉紅 數(shù)控技術(shù) 高等教育出版社 2004 2 3 中國機工業(yè)教育協(xié)會組編 數(shù)控技術(shù) 北京 機械工業(yè)出版社 2001 4 周德儉主編 數(shù)控技術(shù) 重慶 重慶大學(xué)出版社 2000 5 陸劍中 孫家寧主編 金屬切削原理與刀具 北京 機械工業(yè)出版 2001 6 成大先主編 機械設(shè)計手冊 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2002 7 廖效果 朱啟逑主編 數(shù)字控制機床 武漢 華中科技大學(xué)出社 1992 8 于俊主編 滾動軸承計算 北京 高等教育出版社 1993 7 9 張新義主編 經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計 北京 機械工業(yè)出版社 1995 10 張柱銀主編數(shù) 數(shù)控原理與數(shù)控機床 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2003 11 余英良主編 機床數(shù)控改造設(shè)計與實例 北京 機械工業(yè)出版社 1996 12 張寶林主編 數(shù)控技術(shù) 北京 機械工業(yè)出版社 1997 8 13 張俊生主編 金屬切削機床與數(shù)控機床 北京 機械工業(yè)出版社 2001 1 14 劉興國 姜莉莉 燕啟貴 劉昌祺 X52K 銑床數(shù)控改造及設(shè)計 西北工 業(yè)學(xué)院學(xué)報 1996 年 4 卷第 01 期 9 14 15 李培江 普通機床的數(shù)控改造研究 機械管理開發(fā) 2002 2 第 1 期 61 62 16 張俊生主編 金屬切削機床與數(shù)控機床 北京 機械工業(yè)出版社 2001 1