CA6140數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)

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1、第一章 緒 論 隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜,且需頻繁改型,普通機(jī)床已不能適應(yīng)這些要求,數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。這種新型機(jī)床具有適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。它綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密測(cè)量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果,是今后機(jī)床控制的發(fā)展方向。 1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 數(shù)控機(jī)床最早是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1948年,美國(guó)帕森斯公司在研制加工直升機(jī)槳葉輪廓用檢查樣板的加工機(jī)床任務(wù)時(shí),提出了研制數(shù)控機(jī)床的初始設(shè)想。1949年,帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室合作,開(kāi)始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。并于1952年試制

2、成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)。這是一臺(tái)采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床。經(jīng)過(guò)三年改進(jìn)和自動(dòng)編程研究,于1955年進(jìn)入實(shí)用階段。一直到20世紀(jì)50年代末,由于價(jià)格和技術(shù)原因,品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了60年代,由于晶體管的應(yīng)用,數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價(jià)格開(kāi)始下降,一些民用工業(yè)開(kāi)始發(fā)展數(shù)控機(jī)床,其中多數(shù)是鉆床、沖床等點(diǎn)位控制的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到實(shí)際應(yīng)用,而且逐步推廣到焊接機(jī)、火焰切割機(jī)等,使數(shù)控技術(shù)不斷的擴(kuò)展應(yīng)用圍。 1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 自1952年,美國(guó)研制成功第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來(lái),隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制和精密測(cè)量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)控機(jī)床也在迅

3、速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代,先后經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段。 第一代數(shù)控：1952-1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置。 第二代數(shù)控：從1959年開(kāi)始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。 第三代數(shù)控：從1965年開(kāi)始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。 第四代數(shù)控：從1970年開(kāi)始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)。 第五代數(shù)控：從1974年開(kāi)始采用微型電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)。 目前,第五代微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng),形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路,具有很強(qiáng)的程序存儲(chǔ)能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些數(shù)控系統(tǒng)的

4、通用性很強(qiáng),幾乎只需改變軟件,就可以適應(yīng)不同類型機(jī)床的控制要求,具有很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴(kuò)大,光纜通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控裝置中,使其體積日益縮小,價(jià)格逐年下降,可靠性顯著提高,功能也更加完善。 近年來(lái),微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟,它的成果正在不斷滲透到機(jī)械制造的各個(gè)領(lǐng)域中,先后出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng),柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。所有這些高級(jí)的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)均是以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ),它們代表著數(shù)控機(jī)床今后的發(fā)展趨勢(shì)。 1.3 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 我國(guó)從1958年由機(jī)床研究所和清華大學(xué)等首先研制數(shù)控機(jī)床,并試制成功第一臺(tái)電子管數(shù)控機(jī)床。從1965年開(kāi)始,研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)

5、,直到60年代末和70年代初,研制的劈錐數(shù)控銑床、非圓錐插齒機(jī)等獲得成功。與此同時(shí),還開(kāi)展了數(shù)控加工平面零件自動(dòng)編程的研究。1972-1979年是數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)和使用階段。例如：清華大學(xué)研制成功集成電路數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控技術(shù)在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域開(kāi)始研究與應(yīng)用；數(shù)控加工中心機(jī)床研制成功；數(shù)控升降臺(tái)銑床和數(shù)控齒輪加工機(jī)床開(kāi)始小批生產(chǎn)供應(yīng)市場(chǎng)。從80年代初開(kāi)始,隨著我國(guó)開(kāi)放政策的實(shí)施,先后從日本、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)。機(jī)床研究所引進(jìn)美國(guó)GE公司的MTC-1數(shù)控系統(tǒng)等。在引進(jìn)、消化、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上,機(jī)床研究所又開(kāi)發(fā)出BSO3經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)和BSO4全功能數(shù)控系統(tǒng),

6、航空航天部706所研制出MNC864數(shù)控系統(tǒng)等。進(jìn)而推動(dòng)了我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,使我國(guó)數(shù)控機(jī)床在品種上、性能上以及水平上均有了新的飛躍。我國(guó)的數(shù)控機(jī)床已跨入一個(gè)新的發(fā)展階段。 1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 從數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平看,高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動(dòng)化是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)單臺(tái)主機(jī)不僅要求提高其柔性和自動(dòng)化程度,還要求具有進(jìn)入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力。 在數(shù)控系統(tǒng)方面,目前世界上幾個(gè)著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家,諸如日本的FANCU,德國(guó)的SIEMENS和美國(guó)的A-B公司,產(chǎn)品都向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位

7、和32位微機(jī)處理機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu),存容量擴(kuò)大到1MB以上,機(jī)床分辨率可達(dá)0.1微米,高速進(jìn)給可達(dá)100m/min,控制軸數(shù)可達(dá)16個(gè),并采用先進(jìn)的電裝工藝。 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面,交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動(dòng)已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展,以運(yùn)算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代,從而克服了零點(diǎn)漂移、溫度漂移等弱點(diǎn)。 1.5 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)改造的意義 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)字控制的直接對(duì)象,被加工工件的最終位置精度和輪廓精度都與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性有關(guān)。因此,在設(shè)計(jì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu),選用傳動(dòng)零件時(shí)應(yīng)充分注意減小摩擦阻力,提高傳動(dòng)精度和剛度,消除

8、傳動(dòng)間隙和減小運(yùn)動(dòng)慣量。 ??? 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用無(wú)級(jí)調(diào)速的伺服驅(qū)動(dòng)方式,伺服電機(jī)的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)只需經(jīng)過(guò)由最多一兩級(jí)齒輪或帶輪傳動(dòng)副和滾珠絲杠螺母副或齒輪齒條副或蝸桿蝸條副組成的傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)給工作臺(tái)等運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件。傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪副或帶輪副的作用主要是通過(guò)降速來(lái)匹配進(jìn)給系統(tǒng)的慣量和獲得要求的輸出機(jī)械特性,對(duì)開(kāi)環(huán)系統(tǒng),還起匹配所需的脈沖當(dāng)量的作用。近年來(lái),由于伺服電機(jī)及其控制單元性能的提高,許多數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)去掉了降速齒輪副,直接將伺服電機(jī)與滾珠絲杠連接。滾珠絲杠螺母副或齒輪齒條副或蝸桿蝸條副的作用是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)到直線的運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換。 一般的生產(chǎn)企業(yè)或者工科類職業(yè)學(xué)校,

9、一般都不乏普通機(jī)床,而這些普通機(jī)床,已經(jīng)滿足不了產(chǎn)品不斷改型或人才培養(yǎng)的需要,因此,對(duì)數(shù)控設(shè)備的需求就凸顯出來(lái)了,為了減小投資,充分利用現(xiàn)有的機(jī)床設(shè)備,可對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行改造,以下將針對(duì)CA6140車床的進(jìn)給系統(tǒng),闡述將其改造成性能更好的數(shù)控車床。 第二章 CA6140車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)改造方案的擬訂 2.1總體方案確定 圖2-1 CA6140普通車床數(shù)控化改造示意圖 CA6140車床數(shù)控改造方案本文改造后的結(jié)構(gòu)是一種非常典型臥式車床的數(shù)控改造結(jié)構(gòu),改造時(shí)拆除原機(jī)床的縱向和橫向絲杠光杠、溜板箱、掛輪箱的掛輪、原手動(dòng)刀架及手柄等部件,用滾珠絲杠替換原有普通絲杠、用電動(dòng)

10、刀架替換原有的普通刀架?？v向和橫向進(jìn)給采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及減速器驅(qū)動(dòng),橫向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及減速器裝置安裝在機(jī)床床鞍的后部,縱向的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速器裝置安裝在機(jī)床的右端。 由于被改裝的機(jī)床本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)不是按數(shù)控機(jī)床的要求設(shè)計(jì)的,其精度和剛度等性能指標(biāo)往往不能滿足數(shù)控機(jī)床的要求,因此將普通機(jī)床改造為全功能的數(shù)控機(jī)床,一味追求先進(jìn)指標(biāo)則會(huì)得不償失,所以確定總體方案的原則應(yīng)當(dāng)是在滿足生產(chǎn)需要的前提下,對(duì)原機(jī)床盡可能減少機(jī)械部分的改動(dòng)量,選擇簡(jiǎn)單易用的數(shù)控系統(tǒng),達(dá)到合理的性價(jià)比。本次改造設(shè)計(jì)要求就是根據(jù)這一原則提出的。根據(jù)設(shè)計(jì)要求、依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及機(jī)床數(shù)控改造的理解,進(jìn)給系統(tǒng)總體方案確定如下： 利用微

11、機(jī)對(duì)縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制,驅(qū)動(dòng)原件采用直流步進(jìn)電機(jī),傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲桿；步進(jìn)電機(jī)一級(jí)齒輪減速后,帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。示意圖如圖2-2所示： 圖2-2 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案圖 2.2 CA6140車床的設(shè)計(jì)參數(shù) 根據(jù)型普通原始數(shù)據(jù)及數(shù)控改造設(shè)計(jì)要求,確定主要如表2-1所示： 表2-1 最大加工直徑 車床身上： 400mm 車床鞍上： 210mm 最大加工長(zhǎng)度： 1000mm 快進(jìn)速度 縱向 2.4m/min 橫向 1.2m/min 最大切削進(jìn)給速度 縱向 0.6m/min 橫向 0.3m/min 脈沖當(dāng)量 縱向 0.0

12、1mm/step 橫向 0.005mm/step 脈沖分配方式 逐點(diǎn)比較法 控制坐標(biāo)數(shù) 2 機(jī)床定位精度 ±0.015 溜板及刀架重力 縱向： 800N 橫向： 600N 自動(dòng)生降速性能： 有 起動(dòng)加速時(shí)間： 30ms 主電機(jī)功率： 7.5Kw 第3章 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 3.1數(shù)控系統(tǒng)的選擇 3.1.1數(shù)控系統(tǒng)的選擇 數(shù)控機(jī)床的價(jià)格主要由數(shù)控系統(tǒng)來(lái)決定,數(shù)控系統(tǒng)從功能上可分為低中高三檔,中高檔系統(tǒng)〔如Fanuc、LBNC—2T型、FAGOR、SIEMENS、華中H

13、NC—2T/2M等〕功能齊全,性能優(yōu)良,但價(jià)格偏高。結(jié)合實(shí)際,從實(shí)用角度出發(fā),我選擇了華中HNC—21T型數(shù)控車床系統(tǒng),該系統(tǒng)采用先進(jìn)的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu),置嵌入式工業(yè)PC,配置7.5彩色液晶顯示屏和通用工程面板,集成進(jìn)給軸接口、主軸接口、手持單元接口、嵌式PLC接口于一體,支持硬盤(pán)、電子盤(pán)等程序存儲(chǔ)方式及軟驅(qū)、DNC、以太網(wǎng)等程序交換功能,具有低價(jià)格、高性能、配置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、易于使用可靠性高的特點(diǎn),編程格式符合ISO國(guó)際代碼標(biāo)準(zhǔn),兩軸動(dòng)態(tài)坐標(biāo),具有自動(dòng)加工、自動(dòng)換刀、車螺紋和MDI等功能,是教學(xué)、生產(chǎn)兩用型的數(shù)控系統(tǒng)。 3.1.2改造部分 對(duì)臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造,主要是將縱向和橫向進(jìn)給

14、系統(tǒng)改造為用數(shù)控裝置控制的、能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；刀架改造成為能自動(dòng)換刀的回轉(zhuǎn)刀架。由于加工過(guò)程中的切削參數(shù)、切削次序和刀具都會(huì)按程序自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和更換,再加上縱向和橫向進(jìn)給聯(lián)動(dòng)的功能,數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件,并能實(shí)現(xiàn)多工序自動(dòng)車削。 3.1.3設(shè)計(jì)要求 總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式、伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)的選擇,以及傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。在制定總體方案時(shí),要滿足下列要求： 1〕臥式車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能,還要求能暫停,進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等,因此,數(shù)控系統(tǒng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。 2〕車床數(shù)控化改

15、裝后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床,在保證一定加工精度的前提下,應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),降低成本。因此,進(jìn)給系統(tǒng)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 3〕在臥室車床最大加工尺寸、加工精度、控制速度,以及經(jīng)濟(jì)性等條件下,經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床一般采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。 4〕重新設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。 5〕縱向和橫向幾給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈,它們由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、齒輪副、絲杠螺母副組成,其傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。 6〕為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性要求,選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副,并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu),以提高傳動(dòng)剛度,消除間隙。齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)。 3.2 數(shù)控系統(tǒng)介紹

16、 3.2.1操作臺(tái)介紹 華中"世紀(jì)星"HNC-21T是一基于嵌入式工業(yè)PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng),配備高性能32位微處理器、裝式PLC及彩色LCD顯示器。采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)G代碼編程,與各種流行的CAD/CAM自動(dòng)編程系統(tǒng)兼容。 1〕、操作臺(tái)結(jié)構(gòu) ??HNC-21T車床數(shù)控裝置操作臺(tái)為標(biāo)準(zhǔn)固定結(jié)構(gòu),外形尺寸為420×310×110毫米〔W×H×D〕,如圖3-1所示。 圖3-1 NC-21T車床數(shù)控裝置操作臺(tái) 2〕、 顯示器 ?? 操作臺(tái)的左上部為7.5′彩色液晶顯示器,分辨率為640×480。 3〕、 NC鍵盤(pán) ? NC鍵盤(pán)包括精簡(jiǎn)型MDI鍵盤(pán)和F1~F10十個(gè)功能鍵。

17、???標(biāo)準(zhǔn)化的字母數(shù)字式鍵盤(pán)的大部分鍵具有上檔鍵功能,當(dāng)"UPPER"鍵有效時(shí),指示燈亮,輸入的是上檔鍵。 ???NC鍵盤(pán)用于零件程序的編制、參數(shù)輸入、MDI及系統(tǒng)管理操作等。 4〕、 機(jī)床控制面板 ?? 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床控制面板的大部分按鍵〔除"急停"按鈕外〕位于操作臺(tái)的下部。 機(jī)床控制面板用于直接控制機(jī)床的動(dòng)作或加工過(guò)程。 3.2.2軟件操作界面? HNC-21T的軟件操作界面如圖3-2所示。其界面由如下幾個(gè)部分組成： 圖3-2 NC-21T的軟件操作界面 1、 圖形顯示窗口 2、 菜單命令條 3、 運(yùn)行程序索引 ? 4、? 選定

18、坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值,坐標(biāo)系可在機(jī)床坐標(biāo)系/工件坐標(biāo)系/相對(duì)坐標(biāo)系之間切換；顯示值可在指令位置/實(shí)際位置/剩余進(jìn)給/跟蹤誤差/負(fù)載電流/補(bǔ)償值之間切換。 5、 工件坐標(biāo)零點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo) 6、 輔助功能M、S、T；當(dāng)前刀位CT、選擇刀位ST 7、 當(dāng)前加工程序行 8、 當(dāng)前加工方式、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及當(dāng)前時(shí)間 9、 當(dāng)前坐標(biāo)、剩余進(jìn)給 10、直徑/半徑編程、公制/英制編程、每分鐘進(jìn)給/每轉(zhuǎn)進(jìn)給、快速修調(diào)、進(jìn)給修調(diào)、主軸修調(diào)倍率 第四章 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和計(jì)算 4.1進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)方案 4.1.1縱向進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案 拆

19、除原機(jī)床的進(jìn)給箱、溜板箱、滑動(dòng)絲杠、光杠等,裝上步進(jìn)電機(jī)、齒輪減速箱和滾珠絲杠螺母副。為了提高支承剛度,采用向心推力球軸承對(duì)加止推軸承支承方式。齒輪間隙采用雙薄片調(diào)隙方式。 利用原機(jī)床進(jìn)給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲桿仍安置在原來(lái)的位置,兩端仍采用原固定方式。這樣可減少改裝工作量,并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠,且外徑比原先的大,從而使縱向進(jìn)給整體剛度只可能增大。 縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)都采用了一級(jí)齒輪減速。雙片齒輪間沒(méi)有加彈簧自動(dòng)消除間隙。因?yàn)閺椈傻膹椓茈y適應(yīng)負(fù)載的變化情況。當(dāng)負(fù)載大時(shí),彈簧彈力顯小,起不到消除間隙之目的；當(dāng)負(fù)載小時(shí),彈簧彈力又顯大,則加速齒輪的磨損。因此,采用定期

20、人工調(diào)整、螺釘緊固的辦法消除間隙。 4.1.2橫向進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案 拆除原中拖板絲桿,安裝滾珠絲桿副,為提高橫向進(jìn)給系統(tǒng)剛度,支承方式采用兩端裝止推軸承。步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱安裝于機(jī)床后側(cè),為了使減速機(jī)構(gòu)不影響走刀,同時(shí)消除傳動(dòng)過(guò)程的沖擊,減速機(jī)構(gòu)采用二級(jí)傳動(dòng),從動(dòng)輪采用雙薄片錯(cuò)位消除間隙。 4.2進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.2.1進(jìn)擇脈沖當(dāng)量 根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量,縱向:0.01mm/步,橫向:0.005mm/步<半徑>。 4.2.2計(jì)算切削力 〔1〕縱車外圓 主切削力Fz按經(jīng)驗(yàn)公式估算: Fz=0.67Dmax1.5

21、 〔4-1〕 =0.67 x 4001.5=5360 按切削力各分力比例: Fz:Fx:Fy=l:0.25:0.4 Fx =5360 x 0.25 = 1340 Fy= 5360 x 0.4=2144 〔2〕橫切端面 主切削力F’z可取縱切的1/2: 此時(shí)走刀抗力為F’y,吃刀抗力為F’x。仍按上述比例粗略計(jì)算: F’z:F’y:F’x=1:0.25:0.4

22、 F’y=2680 x 0.25 = 670 F’x=2680 x 0.4=1072 4.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)首先要選擇結(jié)構(gòu)類型：確定滾珠循環(huán)方式,滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定之后,再計(jì)算和確定其他技術(shù)參數(shù),包括：公稱直徑d0〔絲杠外徑d〕、導(dǎo)程L0、滾珠的工作圈數(shù)j、列數(shù)K、精度等級(jí)等。 滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和循環(huán)兩大類,外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。我們?cè)诖诉x用螺旋槽式外循環(huán)：在螺母外圓上銑出螺旋槽,槽的兩端鉆出通孔,同螺母的螺紋滾道相切,形成滾珠返回通道。為防止?jié)L珠脫落,螺旋槽用鋼套蓋住。在通孔口設(shè)有擋

23、珠器,引導(dǎo)滾珠進(jìn)入通孔。擋珠器用圓鋼彎成弧形桿,并焊上螺栓,用螺帽固定在螺母上。它的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單,螺母外徑尺寸較小。缺點(diǎn)是：螺旋槽同通孔不易連接準(zhǔn)確,擋珠器鋼性差、耐磨性差。 滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過(guò)盈滾珠預(yù)緊等。 4.3.1縱向進(jìn)給絲杠 〔1〕計(jì)算進(jìn)給率引力Fm 縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌： 式中： K－－考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù),綜合導(dǎo)軌取K＝1.15; --滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.15--0.18; G ----溜板及刀架重力:G = 800N。 （2） 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載c:

24、 〔4-2〕 式中:L0——滾珠絲杠導(dǎo)程,初選L0=6mm; vs——最大切削力下的進(jìn)給速度,可取最高進(jìn)給速度的〔1/2～1/3〕,此處vs＝0.6m/min； fw——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fw＝1.2～1.5； L——壽命、以106轉(zhuǎn)為1單位。 〔3〕滾珠絲杠螺母副的選型和校核 可采用外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副,1列2.5圈,其額定動(dòng)負(fù)載為16400N,精度等級(jí)選3

25、級(jí)。 傳動(dòng)效率計(jì)算 〔4-3〕 式中：γ——螺旋升角,W1L4O0bγ=2044' φ——摩擦角取10'滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.003～0.004 〔4〕剛度驗(yàn)算 一般滾珠絲杠比較細(xì)長(zhǎng),它的剛度應(yīng)該給與充分重視。 先畫(huà)出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖。最大牽引力為2530N。支承間距L=15OOmm絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊,預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。 圖4-1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖 〔4.1〕絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1 根據(jù)Pm=2530N,Do=40mm,

26、查資料可查出δL/L=l.2﹡lO-5,可算出: δ1=δL/L×1500=1.2×10-5×1500=1.8×10-2 由于兩端均采用向心推力球軸承,且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸,故其拉壓剛度可以提高4倍。其實(shí)際變形量δ‘1 為: 〔4.2〕滾珠與螺紋滾道間接觸變形δ2 查資料W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量δQ 因進(jìn)行了預(yù)緊, <4.3>、支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3 采用8107型推力球軸承,d1=35mm,滾動(dòng)體直徑dQ=6.35mm,滾動(dòng)體數(shù)量z=18, 注意,此公式中Fm單位應(yīng)為kgf 因施加預(yù)緊力,故

27、根據(jù)以上計(jì)算： 定位精度 〔5〕穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端推力軸承,不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。 4.3.2橫向進(jìn)給絲杠 〔1〕計(jì)算進(jìn)給牽引力F‘m: 橫向?qū)к墳檠辔残?計(jì)算如下: 〔2〕計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載c 〔3〕選擇滾珠絲杠螺母副 查資料,W1L20051列2.5圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副,額定動(dòng)載荷為8800N,可滿足要求,選定精度為3級(jí)。 〔4〕傳動(dòng)效率計(jì)算 〔5〕剛度驗(yàn)算 橫向進(jìn)給絲杠支承方式如圖4-2所示,最大牽引力為2425N,支承間距L=450mm,因絲杠長(zhǎng)度較短,不需預(yù)緊,螺母及軸承預(yù)緊。 圖4-2 計(jì)算如下： <5.

28、1>、絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1 查圖4-3,根據(jù)F'm＝2023N,D。=2Omm,查出δL/L=5×lO-5,可算出 圖4-3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖 <5.2>、滾珠與螺紋滾道間接觸變形δ2 查資料： 因進(jìn)行了預(yù)緊δ2=1/2δQ=0.5*8.5=4.25μm <5.3>、支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形δ3 采用8102推力球軸承,dQ=4.763,z=12,d=l5mm 考慮到進(jìn)行了預(yù)緊,故 綜合以上幾項(xiàng)變形量之和: 顯然此變形量已大于定位精度的要求,應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改設(shè)計(jì),因橫向溜板空間限制,不宜再加大滾珠絲杠直徑,故采用貼

29、塑導(dǎo)軌減小摩擦力,從而減小最大牽引力。重新計(jì)算如下: 從資料查出,當(dāng)Fm’=1155N時(shí),δL/L=2.4×lO-5 δ2和δ3不變,則δ＝δ1＋δ2＋δ3＝0.0108＋0.0043＋0.0047＝0.0198mm定位精度為±0.lmm,故此變形量仍不能滿足,如果將滾珠絲杠再經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸,剛度還可提高四倍,則變形量可控制在要求的圍之。 從上面計(jì)算過(guò)程可以看出,設(shè)計(jì)的過(guò)程要經(jīng)過(guò)反復(fù)修改參數(shù),反復(fù)計(jì)算才能達(dá)到滿意的結(jié)果。 〔6〕穩(wěn)定性校核 計(jì)算臨界負(fù)載其FK 式中： E——材料彈性模量,鋼:E＝20.6×1O6N/cm2 I——截面慣性矩〔cm4〕絲杠：,di

30、為絲杠徑； 〔4-4〕 L——絲杠兩支承端距離 ； fZ-一絲杠支承方式系數(shù),從表4-13中查出,一端固定,一端簡(jiǎn)支fZ =2.00 〔一般[nk]=2.5～4〕 此滾珠絲杠不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。 4.4縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 其幾何參數(shù)如表4-1所示: 表4-1 名稱 符號(hào) 公式 公稱直徑 35 20 導(dǎo)程 6 5 接觸角 3°7’ 4°33’ 鋼球直徑<㎜> 3.969 3.175 滾道法面半徑 2.064 1.651 偏心距 0. 0

31、. 螺紋升角 3°7’ 4°33’ 螺桿外徑 34 19.4 螺桿徑 30.984 16.78 螺桿紋接觸直徑 31.258 16.835 螺母螺紋直徑 39.365 23.212 4.5齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 4.5.1縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量δp＝0.01滾珠絲杠導(dǎo)程L0=6mm,初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.750?？捎?jì)算出傳動(dòng)比i 可選定齒輪齒數(shù)為, 或 4.5.2橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量δp＝O.005,滾珠絲杠導(dǎo)程L0＝5mm,初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.750可計(jì)

32、算傳動(dòng)比i: 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因,不使大齒輪直徑太大,以免影響到橫向溜板的有效行程,故此處可采用兩級(jí)齒輪降速: 因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大,模數(shù)m取2。相關(guān)參數(shù)如表4-2所示： 表4-2 齒數(shù) 32 40 24 40 20 25 分度圓 64 80 48 80 40 50 齒頂圓 68 84 52 84 44 54 齒根圓 59 75 43 75 35 45 齒寬 〔6~10〕m 20 20 20 20 20 20 中心距 72 64 45 第五章 CA6140車床進(jìn)給部分電機(jī)的選

33、擇 5.1縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 5.1.1等效傳動(dòng)慣量計(jì)算 方法計(jì)算如下表示。傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總傳動(dòng)慣量JΣ可有下式計(jì)算： JΣ=Jm+J1+〔Z1÷Z2〕2〔+G÷g2〕 〔5-1〕 式中：Jm—步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J1,J2—齒輪Z1、Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js—滾珠絲杠傳動(dòng)慣量 參考同類型機(jī)床,初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF,其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=10 J1=0.78×10－3×d14·L1=0.78×10－3×6.42×2=

34、2.6 kg?cm2 J2=0.78×10－3×d24·L2=0.78×10－3×82×2=6.39 kg?cm2 Js=0.78×10－3×44×150=29.952 kg?cm2 G=800N 代入上式： JΣ=Jm+J1+〔Z1÷Z2〕2〔+G÷g2〕 =10+2.62+<32÷40>2〔<6.39+29.592>+800÷9.8<0.6÷2π>2〕 =36.355 kg?cm2 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問(wèn)題。 Jm÷JΣ=10÷36.355=0.275 基本滿足慣量匹配的要求。 5.1.2電機(jī)力矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下

35、,其所需轉(zhuǎn)距不同,下面分別按各階段計(jì)算： A.快速空載啟動(dòng)力矩M起 在快速空載起動(dòng)階段,加速力矩占的比例較大,具體計(jì)算公式如下： M起=Mamax+Mf+Ma Mamax=JΣ·ε= JΣnnax×10－2/<60×ta/2π> = JΣ×2π·nmax×10－2/<60×ta> nmax=νmax·θb÷δp·360 將前面數(shù)據(jù)代入,式中各符號(hào)意義同前。 nmax=νmax·θb÷δp·360=2400×0.75÷<0.01×360>=500r/min 啟動(dòng)加速時(shí)間ta=30ms Mamax=JΣ×2π

36、·nmax×10－2/<60×ta> =36.355×2π×500×10-2/<60×0.03> =634.5N·cm 折算到電機(jī)軸上的摩擦力距Mf： Mf=FOL0÷2πηi=f1×L0÷<2πηZ2÷Z1> =0.16×<5360+800>×0.6÷<2π×0.8×1.25>=94N·cm 附加摩擦力距M0 MO=FPOL0<1－η02>/2πηi=1÷3×Ft×L0<1－η02>÷<2πηZ2÷Z1> =1÷3×2530×0.6×<1－0.92>÷< 2π×0.8×1.25> =805.3×0.19=15.3N·cm

37、 上述三項(xiàng)合計(jì)： M起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8N·cm B．快速移動(dòng)時(shí)所需力矩M快。 M快=Mf+M0=94+15.3=109.3N·cm C．快速切削負(fù)載時(shí)所需力矩 M切 M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0÷2πηi =94+15.3+1340×0.6÷<2π×0.8×1.25> =94+15.3+127.96 =237.26N·cm 從上面計(jì)算可以看出,M起、M快和M切三種工況下,以快速空載起動(dòng)所需力矩最大,以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 從下表查出,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí) λ=Mq÷Mjmax=0.951

38、最大靜力矩Mjmax=743.8÷0.951=782N·cm 按此最大靜力矩從下表查出,150BF002型最大靜轉(zhuǎn)矩為13.72N·m。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩,可作為初選型號(hào),但還需進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 5.1.3計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 ===4000 HZ ===1000 HZ 從表中查出150BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為2800Hz運(yùn)行頻率為8000Hz,再?gòu)南卤碇胁槌?30BF001型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線如圖2-3,2-4所示。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí),f起=2500時(shí),M=100N·cm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所

39、要求的空載起動(dòng)力矩〔782N·cm〕直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象,所以必須采用升降速控制〔用軟件實(shí)現(xiàn)〕,將起動(dòng)頻率降到1000Hz時(shí),起動(dòng)力矩可增加到588.4N·cm,然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路,還可將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。 圖5-1 130BF001 型運(yùn)行距頻特性 圖5-2 130BF001 啟動(dòng)型距頻特性 當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí),130BF001型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性完全可以滿足要求。 5.2橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 5.2.1等效傳動(dòng)慣量計(jì)算 橫向傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J可由下式計(jì)算 JΣ=Jm+J1+〔Z1÷Z2〕2{

40、J3>+Z3÷Zф〔+G÷g2} 〔5-2〕 式中各符號(hào)意義同前,其中 J1=0.78×10－3×d14·L1=0.78×10－3×4.82×2=0.83kg?cm2 J2=0.78×10－3×d24·L2=0.78×10－3×84×2=6.4 kg?cm2 J3=0.78×10－3×d24·L3=0.78×10－3×44×2=0.4 kg?cm2 J4=0.78×10－3×d24·L4=0.78×10－3×54×2=0.98 kg?cm2 Js=0.78×10－3×24×45=0.56kg?cm2 G=600n Jm=4.7 〔初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

41、為110BF〕 代入上式為： JΣ=Jm+J1+〔Z1÷Z2〕2{+Z3÷Zф〔+G÷g2〕} =4.7+0.83+<24÷10>2{<6.4+0.4>+<20÷25>2[<0.98+0.56>+600÷10<0.5÷2π>2]} =8.42kg·cm2 考慮到步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量的匹配問(wèn)題 Jm÷JΣ=4.7÷8.42=0. 558 基本滿足慣量匹配要求 5.2.2電機(jī)力矩計(jì)算 A.快速空載起動(dòng)力矩M M起=Mamax+Mf+Ma

42、 〔5-3〕Mamax=JΣ·ε= JΣnnax×10－2÷<60×ta÷2π> = JΣ×2π·nmax×10-2÷<60×ta> 式中： nmax=νmax·θb÷δp·360 =1200×0.75÷<0.005×360>=500r/min ta=30ms Mamax=JΣ×2π·nmax×10-2÷<60×ta> =8.42×2π×500×10-2÷<60×0.03> =147N·cm 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩Mf Mf=FOL0÷2πηi=f1×L0÷<2πηZ2÷Z1> =0.2×<2680+600>×0.5×0

43、.48÷<2π×0.8> =31.3N·cm 附加摩擦力矩M0 MO=FPOL0<1－η02>÷2πηi=1÷3×Fˊt×L0<1－η02>÷<2πηZ2÷Z1> =1÷3×2023×0.5×0.48×<1－0.92>÷< 2π×0.8> =6.1N·cm 上述三項(xiàng)合計(jì)： M起=Mamax+Mf+Ma=147+31.3+6.1=184.4N·cm B．快速移動(dòng)時(shí)所需力矩M快。 M快=Mf+M0=31.3+6.1=37.4N·cm C.最大切削福載時(shí)所需力矩M切 M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0÷2πηi =37.4+1072×0.5×0.48÷<2

44、π×0.8> =88.6N·cm 由上面計(jì)算可以看出, M起、M快和M切三種工況下,以快速空載起動(dòng)所需力矩最大,故以此項(xiàng)作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩Mq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系可知,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)：λ=Mq÷Mjmax=0.866 最大靜力矩Mjmax=184.4÷0.866=213N·cm 查BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)得,110BF003型步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為7.84N·m。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩,可作為初選型號(hào),但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 5.2.3計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 Fk=1000Vmax÷60δp =1

45、000×2.4÷60×0.01=4000Hz Fe=1000Vs÷60δp =1000×0.6÷60×0.01=1000Hz 由110BF003型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)可知其最高空載起動(dòng)頻率為1500Hz,運(yùn)行頻率為7000Hz。根據(jù)110BF003型電機(jī)的起動(dòng)距頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線可以看出,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)F=1500Hz,M=98N·cm,小于機(jī)床所需的起動(dòng)力矩〔184.4N·cm〕,直接使用會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象,所以必須采用升降速控制〔用軟件實(shí)現(xiàn)〕。將起動(dòng)頻率降為1000Hz時(shí),既可滿足要求。當(dāng)機(jī)床快速起動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí),則完全滿足運(yùn)行矩頻要求。

46、 第六章 CA6140車床刀架部分的改造 6.1刀架的選用 電動(dòng)刀架可分為四或六工位〔即刀架上可裝四或六把刀具〕,機(jī)床數(shù)據(jù)MD14510[20]所設(shè)定的數(shù)據(jù)應(yīng)與刀架工位相吻合。每把刀具都有一固定刀號(hào),通過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)進(jìn)行到位檢測(cè)。到位信號(hào)經(jīng)故障設(shè)置引至I/O演示板下方的接插件上。根據(jù)實(shí)際需求我們選用四工位刀架。 6.2電動(dòng)刀架工作原理 系統(tǒng)發(fā)出換刀信號(hào),刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)繼電器動(dòng)作,電機(jī)正轉(zhuǎn),通過(guò)減速機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)將上刀體上升至一定位置,離合盤(pán)起作用,帶動(dòng)上刀體旋轉(zhuǎn)到所選擇刀位,發(fā)訊盤(pán)發(fā)出刀位信號(hào),刀架電機(jī)反轉(zhuǎn)繼電器動(dòng)作,電機(jī)反轉(zhuǎn),完成初定位后上刀體下降,齒牙盤(pán)嚙合,

47、完成精確定位,并通過(guò)升降機(jī)構(gòu)鎖緊刀架。 6.3 改造后的刀架 改造后的刀架如圖6-1所示,刀架尺寸如表6-1所示。 圖6-1 改造后的刀架 表6-1刀架尺寸 H1 236mm H3 80mm H2 40mm H4 20mm B 230mm B1 115mm A 90mm L1 379mm 6.4刀架的電氣控制 刀架電氣控制原理如圖6-2、6-3所示 圖6-2刀架電氣控制原理圖 圖6-3刀架電氣控制原理圖

48、 6.5刀架的安裝 刀架安裝時(shí)拆除原手動(dòng)刀架和小拖板,安裝由微機(jī)控制的四工位電動(dòng)刀架。根據(jù)車床的型號(hào)及主軸中心高度,選用LD4-I型四工位電動(dòng)刀架。安裝時(shí),去掉車床小拖板,置刀架于中拖板上,卸掉電機(jī)風(fēng)罩,逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)電機(jī),或轉(zhuǎn)動(dòng)軸承蓋處之六角螺孔,使刀架轉(zhuǎn)動(dòng)到45°左右時(shí),裝上螺釘,然后固定刀架即可。電動(dòng)刀架的安裝較為方便,安裝時(shí)須注意以下兩點(diǎn): 〔1〕電動(dòng)刀架的兩側(cè)面與原車床縱、橫向的進(jìn)給方向平行。 〔2〕電動(dòng)刀架與系統(tǒng)的連線在安裝時(shí)應(yīng)合理,以免加工時(shí)切屑、冷卻液及其它雜物磕碰電動(dòng)刀架連線。 第七章 機(jī)床的安裝調(diào)試與驗(yàn)收 7.1 數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試 7.1.1 華中

49、數(shù)控系統(tǒng)與車床間I/O信號(hào)的處理 車床至數(shù)控系統(tǒng)的輸入信號(hào)。 輸入信號(hào)包括各種位置、速度及操作信號(hào)。主要有：①主軸編碼器向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的PAS、PAS*、PBS、PBS*、PCS、PCS*信號(hào),用于位置和速度及判向。②X、Z軸參考點(diǎn)開(kāi)關(guān)SQ2、SQ3及行程限位開(kāi)關(guān)SQ4—SQ7分別用做減速回零和超程保護(hù)。③限位暫時(shí)解除開(kāi)光,當(dāng)X、Z軸產(chǎn)生超程保護(hù)后。按下此開(kāi)關(guān)暫時(shí)解除超程信號(hào),然后反向運(yùn)行到正常行程圍。④X、Z軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器報(bào)警信號(hào),當(dāng)驅(qū)動(dòng)器故障時(shí),向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)進(jìn)行功能保護(hù)。⑤刀架信號(hào)板,由霍爾元件及磁柱組成,在換刀時(shí)檢測(cè)到信號(hào)T01—T04。⑥急停開(kāi)關(guān),用于在緊急情況下停止機(jī)床的所有

50、輸出。 數(shù)控系統(tǒng)至機(jī)床的輸出信號(hào)。 ①對(duì)主軸的控制信號(hào),數(shù)控系統(tǒng)向變頻器發(fā)出0—10VDC的模塊電壓控制變頻器的輸出頻率,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)速。②主軸控制信號(hào)〔M03—M05 功能及制動(dòng)信號(hào)〕。③自動(dòng)潤(rùn)滑信號(hào)。潤(rùn)滑信號(hào)M32可定時(shí)控制潤(rùn)滑系統(tǒng)泵的接通,對(duì)導(dǎo)軌、刀架等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及時(shí)補(bǔ)充潤(rùn)滑油。④冷卻液信號(hào)。利用冷卻信號(hào)M08控制冷卻泵工作,讓冷卻液帶走車削時(shí)產(chǎn)生的熱量以保護(hù)刀具和工件。⑤X、Z軸運(yùn)動(dòng)信號(hào)。數(shù)控系統(tǒng)給驅(qū)動(dòng)器送出信號(hào)有步進(jìn)脈沖信號(hào)〔CP+、CP-〕方向信號(hào)〔DIR+、DIR-〕：驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)EN1。⑥換刀信號(hào)?？墒沟都苷齻鱐L+及刀架反轉(zhuǎn)TL-,也可在程序中編入刀具號(hào)。 7.1.

51、2數(shù)控車床的幾種過(guò)程原理分析及相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置 1、主軸停止 在程序中執(zhí)行M05指令或手動(dòng)停止主軸時(shí),系統(tǒng)斷開(kāi)主軸電機(jī)的電源。然后經(jīng)適當(dāng)延時(shí)后發(fā)出制動(dòng)信號(hào)并保持一定時(shí)間,使主軸停止。其中主軸斷電后延時(shí)由參數(shù)D087、D088設(shè)定,制動(dòng)信號(hào)保持時(shí)間由參數(shù)D089、D090設(shè)定。因主軸變?yōu)樽冾l驅(qū)動(dòng),則設(shè)定P001.5=1,初始運(yùn)行時(shí),綜合調(diào)整P021〔主軸模擬調(diào)整數(shù)據(jù)〕、P036〔主軸速度偏置補(bǔ)償〕、P037—P040〔模擬給定10V時(shí)對(duì)應(yīng)齒輪1—4擋的轉(zhuǎn)速,最終使指令轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速一致。有關(guān)參數(shù)設(shè)定為：①主軸斷電至開(kāi)始制動(dòng)時(shí)間T1,D087=01001001〔低位字節(jié)〕；D088=000000

52、00〔高位字節(jié)〕,則T1=16〔256D088+D087〕=1168ms。②主軸抱閘時(shí)間T2,D089=01111101〔底位字節(jié)〕,D090=00000000,則T2=16〔256D090+D089〕=2000ms。③主軸編碼器的齒輪倍率參數(shù)P006.6=0,P006.7=0。 2、回零點(diǎn)。 零點(diǎn)是機(jī)床的編程坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn),是機(jī)床正常、精確工作的基礎(chǔ)。系統(tǒng)每次上電后都應(yīng)多兩軸回零。每軸用一個(gè)感應(yīng)開(kāi)關(guān)SQ2〔X軸〕、SQ3〔Z軸〕作為減速信號(hào)和零位信號(hào)?；亓悴僮鲿r(shí),兩軸先以P022、P023設(shè)定的快速負(fù)向運(yùn)動(dòng),得到減速信號(hào)后,開(kāi)始逐漸減速到零。然后以P033設(shè)定的回零速度反向運(yùn)動(dòng),再次收到SQ

53、2、SQ3信號(hào)時(shí)停止運(yùn)動(dòng),此時(shí)的位置就是坐標(biāo)零點(diǎn)。其中需要設(shè)定的參數(shù)為：用感應(yīng)開(kāi)關(guān)P007.1=1,P007.0〔Z軸〕=1；選擇負(fù)方向回零P006.1〔X軸〕=1,P006.0==1；有機(jī)械回零點(diǎn)P014.1=1,P014.0=1,P014.0=1；低速回零點(diǎn)速度P033=200mm/min。 3、電動(dòng)刀架換刀動(dòng)作及相關(guān)參數(shù)設(shè)置。 當(dāng)程序自動(dòng)或手動(dòng)換刀時(shí),數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀架正轉(zhuǎn)信號(hào)TL﹢,然后等待相應(yīng)的刀具到位信號(hào),收到到位信號(hào)后停止正轉(zhuǎn),經(jīng)過(guò)D082設(shè)定的延時(shí)后,給出反轉(zhuǎn)信號(hào)信號(hào)TL-鎖緊與否靠反轉(zhuǎn)時(shí)間D085設(shè)定,有關(guān)參數(shù)為：

54、 1） 刀具到位信號(hào)低電平有效時(shí)P001.1=1； 2） 無(wú)刀具到位信號(hào)P041.0=0； 3） 移動(dòng)一個(gè)刀位所需時(shí)間上限T3.D076,=11000111<低位字節(jié)>,D077=00000000〔高位字節(jié)〕,則T3=16〔256D077+D076〕=3184ms； 4） 從第一把刀到最后一把刀所需時(shí)間上限T3,D078=10001110〔低位字節(jié)〕,D079=00000000〔高位字節(jié)〕,則T4=16〔256D079+D078〕=6368ms； 5） 刀架正轉(zhuǎn)停止到反轉(zhuǎn)的時(shí)間T5,D082=00000111〔單字節(jié)〕,則T5=16D082=1008ms； 6） 刀架反轉(zhuǎn)鎖緊電間T6

55、,D085=00111111〔單字節(jié)〕,則T6=16D085=1008ms。 7） 總刀位數(shù)T*,D084=00000100〔單字節(jié)〕,T*=4。 4、進(jìn)給軸調(diào)及相關(guān)參數(shù)高置。 1>軸運(yùn)動(dòng)方向調(diào)整,更改P008.1〔X軸〕和P008.0可使用進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向改變； 2>數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)有X、Z軸驅(qū)動(dòng)器報(bào)警電平參數(shù),應(yīng)將其與驅(qū)動(dòng)器實(shí)際報(bào)警電平設(shè)為一致。如P009.1=1,P009.0=1g表驅(qū)動(dòng)報(bào)警信號(hào)為低電平有效。 3>應(yīng)正確設(shè)置電子齒輪比參數(shù),使進(jìn)給軸的實(shí)際行程一致。其與驅(qū)動(dòng)器細(xì)分檔、絲杠螺距、步距角、電動(dòng)軸的減速比有關(guān)。我們?cè)O(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分檔為10、電機(jī)的步距角

56、為0.75,X、Z均為1：1的齒輪傳動(dòng),絲杠螺距為4mm.5mm,因X軸為直徑編程,所以電機(jī)一轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的移動(dòng)量為8mm,Z軸電機(jī)一轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的的移動(dòng)量為5mm。則：CMR/CMD=360/〔1000aL,其中CMR為指令倍乘系數(shù),CMD為指令分頻系數(shù)：a為步距角,L為電機(jī)一轉(zhuǎn)的對(duì)應(yīng)的機(jī)床移動(dòng)量,則X軸；CMR/CMD=3/5：Z軸：CMR/CMD=24/25。參數(shù)設(shè)置為：PO15〔X軸〕=3,PO16〔Z軸〕=24,PO17〔X軸〕=5,PO18〔Z軸〕=25 4>快移動(dòng)速度和加減速時(shí)間常數(shù)設(shè)置。PO22〔X軸〕=800mm/min,PO23〔Z軸〕=1000mm/min;PO24〔X軸〕=450

57、ms,PO25〔Z軸〕=450ms。 5>軟限位參數(shù)。軟限位參數(shù)應(yīng)設(shè)置在硬限位正常的行程方位,其作用為避免因行程限位而中斷加工。起單位為um,分正、負(fù)兩個(gè)方向?？筛鶕?jù)硬限位行程和加工方位自行設(shè)定。 6>絲杠反向間隙的補(bǔ)償。進(jìn)給軸由于裝配、磨損等原應(yīng),均存在一定的反向間隙,為提高機(jī)床的加工精度,經(jīng)測(cè)量必須設(shè)定X、Z軸的間隙補(bǔ)償值,單位為um。 5、其他有關(guān)參數(shù)的設(shè)置及傳動(dòng)鏈注意事項(xiàng) 華中數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)分系統(tǒng)參數(shù)P、診斷參數(shù)為D、設(shè)置參數(shù)S三種。與加工程序編輯有關(guān)的參數(shù)應(yīng)根據(jù)操作員的需要來(lái)設(shè)置和修改,如公、英制編程選擇等。另外,由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng),運(yùn)行中應(yīng)避開(kāi)起低頻震蕩區(qū),最高

58、移動(dòng)速度也不能太高,以防失步：中間傳動(dòng)鏈應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠杈o,以消除間隙,提高傳動(dòng)剛度,消除反向空行程死區(qū),最終提高加工精度。 只要對(duì)數(shù)控設(shè)備認(rèn)真研究摸索,逐漸積累經(jīng)驗(yàn),然后從世界應(yīng)用出發(fā)選用成。 7.2 電氣系統(tǒng)的調(diào)試 調(diào)試分為兩大步：數(shù)控系統(tǒng)外圍的調(diào)試；數(shù)控系統(tǒng)為適應(yīng)具體數(shù)控機(jī)床需要而調(diào)整機(jī)床參數(shù),調(diào)試用戶程序,稱為弱電調(diào)試。 在整機(jī)通電前,斷開(kāi)至CNC單元、伺服單元的電源插頭。這是一項(xiàng)安全措施,以防止不正確的電源進(jìn)入改造數(shù)控系統(tǒng)的損壞。 1>電源電壓調(diào)試。： 為保證人身和設(shè)備安全,必須首先確定各種電源電壓是否正常,如進(jìn)線電源、DC24V、伺服變壓器副邊電壓等。 2>各控制回路的

59、調(diào)試。 a) 用電器的工作：分別使各用電器正常工作,如照明回路。 b) CNC的啟動(dòng)停止：以上各種電源電壓正確之后,可以CNC。啟動(dòng)停止電路。CNC啟動(dòng)后,LED出現(xiàn)顯示。 c) 急?；芈罚喊聪聶C(jī)床操作面板上的急停按鈕,檢查機(jī)床是否臥刻停止運(yùn)動(dòng),保證機(jī)床的安全。一般情況下,超程檢測(cè)由CNC通過(guò)參數(shù)處理〔稱為軟件限位〕,外部的限位開(kāi)關(guān)是不必要的。然而,為了避免由于伺服反饋系統(tǒng)發(fā)生故障而使機(jī)床移動(dòng)超出軟件限位值,必須安裝行程限位開(kāi)關(guān)〔稱為硬件限位〕。當(dāng)開(kāi)關(guān)被擋鐵壓上后,CNC復(fù)位并進(jìn)行緊?；芈贰Ｒ苿?dòng)機(jī)床拖板檢查硬件限位是否能工作。 3> 限位開(kāi)關(guān)超程檢測(cè)。 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行超程檢測(cè),是CNC

60、的基本功能,稱為軟件限位。硬件限位是指通過(guò)行程開(kāi)關(guān)限位。在機(jī)床回參考點(diǎn)的動(dòng)作中,經(jīng)常需要軟件限位和硬件限位結(jié)合使用。若機(jī)床帶有刀庫(kù),當(dāng)?shù)稁?kù)在前位時(shí),Z軸不能在參考點(diǎn)下移動(dòng),因此Z軸需要設(shè)置第二軟件限位保護(hù)。 4> 軸行程的設(shè)置。 主軸控制單元〔或稱主軸放大器〕接收來(lái)自CNC的譯碼指令,同時(shí)接收速度反饋實(shí)施閉環(huán)控制。還通過(guò)PLC將主軸的各種實(shí)際工作狀態(tài)報(bào)告CNC,用以完成對(duì)主軸的各項(xiàng)功能控制。主軸電動(dòng)機(jī)控制接口為主軸串行輸出〔與模擬輸出相對(duì),串行輸出中輸出到主軸的命令值數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)〕。同時(shí)使用外接位置編碼器與CNC相連,用于檢測(cè)主軸的位置。 a) 使主軸能以指定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),如S500 M03。

61、本機(jī)床由CNC控制主軸電機(jī)的速度和極性。主軸采用高低兩檔齒輪變速,高速檔主軸與主軸電動(dòng)機(jī)之間齒輪傳動(dòng)比為1：1；低速檔主軸與主軸電動(dòng)機(jī)之間齒輪傳動(dòng)比1：4.95。需處理CNC側(cè)對(duì)主軸速度的控制的接口信號(hào)及主軸控制單元側(cè)的接口信號(hào),并設(shè)置最高速度、換檔速度等參數(shù)。 b) 使主軸能停留在某個(gè)固定位置〔主軸準(zhǔn)停〕,如M190。為了保護(hù)刀具能準(zhǔn)確地在主軸和刀庫(kù)之間交換,必須使用主軸準(zhǔn)停功能。主軸完成信號(hào)檢測(cè)水平；P4077：準(zhǔn)停偏移量〔如果定向停止位置不準(zhǔn),將會(huì)損壞換刀裝置,可通過(guò)該參數(shù)對(duì)主軸定向位置進(jìn)行精調(diào)〕。 7.3傳動(dòng)絲杠的安裝與調(diào)試 1> 利用螺母的間隙調(diào)整裝置調(diào)整絲桿副間隙時(shí),應(yīng)使調(diào)整

62、后產(chǎn)生的預(yù)緊力以絲桿副最大負(fù)載的1/3為宜。在實(shí)際調(diào)整中,可以把車床處于最大工作負(fù)載,使絲桿部仍不產(chǎn)生間隙,或者間隙量小于0.01mm,而且運(yùn)轉(zhuǎn)靈活,并以次作為螺母間隙調(diào)整裝置預(yù)緊量的判斷標(biāo)準(zhǔn)。 2> 傳動(dòng)絲桿軸線上各聯(lián)軸套上的錐銷孔按十字分布方式進(jìn)行配作。這是因?yàn)橥宦?lián)軸套上分布的錐銷孔都按同一方向加工時(shí),往往會(huì)引起軸心線的直線誤差增大,從而使安裝在傳動(dòng)絲杠上個(gè)零件間的同軸度誤差增大,產(chǎn)生傳動(dòng)附加載荷,影響絲杠副的傳動(dòng)性能。 消除齒輪間隙的方法很多,用調(diào)整中心距的方法是最簡(jiǎn)單的一種。安裝時(shí)將大齒輪所在支承架傳動(dòng)中心與絲桿對(duì)中,首先固定,然后把電動(dòng)機(jī)小齒輪按無(wú)間隙嚙合,調(diào)整好中心距,再固定

63、。 3> 滾珠絲桿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(jìn)行生產(chǎn)。因此,在進(jìn)行設(shè)備改造時(shí),要按廠家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。選擇合適以后,再?zèng)Q定被改造設(shè)備的其他相關(guān)部分的結(jié)構(gòu)和尺寸。 主軸脈沖發(fā)生器的引出軸與車床主軸按1：1無(wú)間隙柔性連接傳動(dòng),連接后應(yīng)該保證兩者有很好的同步性。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(guò)主軸脈沖發(fā)生器的最高許用轉(zhuǎn)速。 4〕改造后的機(jī)床專用性強(qiáng),沒(méi)有多余的功能；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維修、改造周期短、且提高可機(jī)床的性價(jià)比；可以滿足生產(chǎn)及教學(xué)的要求。

64、 總 結(jié) 論文介紹了數(shù)控車床改造的容,在此過(guò)程中我不僅運(yùn)用了以前所學(xué)的各個(gè)學(xué)科方面的知識(shí),而且學(xué)到了課本以外的知識(shí)。在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了不少問(wèn)題,也走了不少?gòu)澛?通過(guò)此次設(shè)計(jì)實(shí)踐讓我學(xué)會(huì)虛心求教,細(xì)心體察,大膽實(shí)踐。任何能力都是在實(shí)踐中積累起來(lái)的,都會(huì)有一個(gè)從不會(huì)到會(huì),從不熟練到熟練的過(guò)程,人常說(shuō)"生活是最好的老師"就是說(shuō)只有在生活實(shí)踐中不斷磨練,才能提高獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力；同時(shí)也培養(yǎng)了自己優(yōu)良的學(xué)風(fēng)、高尚的人生、團(tuán)結(jié)和合作的精神；學(xué)會(huì)了勤奮、XX的學(xué)習(xí)態(tài)度。 勤奮就是要發(fā)奮努力、不畏艱難。唐代思想家韓愈有句名言：

65、業(yè)精于勤,荒于嬉；行成于思,毀于隨。優(yōu)良的學(xué)業(yè)是辛勤汗水的結(jié)晶,成就只有通過(guò)刻苦的學(xué)習(xí)和拼搏才能獲得。馬克思說(shuō)過(guò)："在科學(xué)上沒(méi)有平坦的大道,只有不畏勞苦沿著陡峭山路攀登的人,才有希望達(dá)到光輝的頂點(diǎn)。"XX就是腳踏實(shí)地,求真務(wù)實(shí),謙虛謹(jǐn)慎、介驕介躁、對(duì)知識(shí)的掌握要弄通弄懂,對(duì)技術(shù)的掌握要嚴(yán)守規(guī)、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、精益求精。一個(gè)人的力量是有限的,團(tuán)結(jié)合作的力量是無(wú)窮的,通過(guò)對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的確定讓我明白：一粒沙雖小,但無(wú)數(shù)粒卻能匯成無(wú)限的沙漠；水滴雖小,卻你匯成遼闊的海洋；你的一個(gè)思想、一個(gè)方法,他的一個(gè)思想和方法,相互交流互換就有了兩個(gè)思想和方法,當(dāng)今社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,而我們現(xiàn)在就應(yīng)該學(xué)會(huì)與他人合作。

66、 當(dāng)然,在設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程中,我們也收獲了快樂(lè)、與同學(xué)的快樂(lè)、與老師的快樂(lè)。因?yàn)槊慨?dāng)自己或自己和同學(xué)完成了此次設(shè)計(jì)時(shí),或多或少有些欣慰,會(huì)感到開(kāi)心,同時(shí)和老師的交流也是一種快樂(lè)。雖然設(shè)計(jì)的時(shí)間和水平有限,但對(duì)我今后的學(xué)習(xí)有很大幫助。這只是起點(diǎn),終點(diǎn)離我們還有一定的距離,所以還是需要我們繼續(xù)努力去走以后的路。而我們要把握好每一次的機(jī)會(huì),錯(cuò)過(guò)了就再也找不回來(lái)了。 本論文的順利完成,離不開(kāi)各位老師、同學(xué)和朋友的幫助和支持。沒(méi)有他們的幫助和支持,是沒(méi)有辦法獨(dú)立完成畢業(yè)論文的,同窗之間的友誼永遠(yuǎn)長(zhǎng)存。在學(xué)習(xí)和生活期間,也始終感受著老師的精心指導(dǎo)和無(wú)私的關(guān)懷,我受益匪淺。在此向各位老師表示深深的感謝和崇高的敬意。不積跬步何以至千里,本論文能夠順利的完成,也歸功于各位任課老師的認(rèn)真負(fù)責(zé),使我能夠很好的掌握和運(yùn)用專業(yè)知識(shí),并在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。同時(shí)我在網(wǎng)上也搜集了不少資料,才使我的畢業(yè)論文工作順利完成。再次向?qū)W院的全體老師表示由衷的謝意。 參考文獻(xiàn) 1．吳振彪.機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)<第一版>[M].:中國(guó)人民大學(xué)版社,2001. 2．余英良.機(jī)床