目錄
緒論………………………………………………………………1
1. 數(shù)控機(jī)床的基本知識(shí)…………………………… 2
1.1數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)…………………………………………………2
1.2數(shù)控機(jī)床的組成………………………………………………………4
1.3機(jī)床的運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)…………………………………………………5
1.4數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成、特點(diǎn)……………………………………5
1.5數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)及其要求………………………………7
2 總體方案設(shè)計(jì)…………………………………………… 10
2.1設(shè)計(jì)任務(wù) 10
2.2.總體方案確定 10
2.2.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 10
2.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 10
2.2.3機(jī)械傳動(dòng)方式 11
3 電機(jī)的選擇和脈沖當(dāng)量的選擇…………………………… 11
3.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 11
3.2電機(jī)的選擇 12
3.2.1縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 12
3.2.2橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 12
4. 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)………………………………………………… 13
4.1滾動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn) 13
4.2選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式 13
4.3滾動(dòng)導(dǎo)軌預(yù)緊方式的確定 13
4.4滾動(dòng)導(dǎo)軌幾何參數(shù)的確定 14
4.4.1滾動(dòng)體尺寸和數(shù)目的選擇 14
4.4.2滾動(dòng)導(dǎo)軌的長(zhǎng)度 14
4.5塑料導(dǎo)軌的應(yīng)用 15
4.6貼塑導(dǎo)軌 15
5. 縱、橫向自動(dòng)走刀機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 15
5.1設(shè)計(jì)任務(wù) 15
5.2總體設(shè)計(jì)的方案確定 15
5.3 縱向自動(dòng)走刀機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 16
5.3.1切削力計(jì)算 17
5.3.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 17
5.3.3齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算： 19
5.4 橫向自動(dòng)走刀機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 21
5.4.1切削力計(jì)算 21
5.4.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 21
5.4.3齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算： 24
6 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)…………………………… 25
6.1控制系統(tǒng)的功能 25
6.2采用軟件環(huán)形分配器 26
6.3.自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的控制 26
6.4.螺紋加工的控制 26
6.5地址編碼 26
7. 安裝………………………………………………………… 27
7.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)安裝 27
7.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)安裝 27
7.3 刀架安裝 27
7.4 數(shù)控系統(tǒng)箱安裝 27
7.5 編碼器安裝 27
8. 結(jié)論………………………………………………………… 28
9. 致謝……………………………………………………… 29
10. 參考文獻(xiàn)……………………………………………………… 30
附圖一 CA6140縱向伺服進(jìn)給單元裝配圖
附圖二 CA6140橫向伺服進(jìn)給單元裝配圖
附圖三 CA6140機(jī)床電氣控制原理圖
摘要
隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志。采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，尤其適合我國(guó)普通機(jī)床擁有量大，生產(chǎn)規(guī)模小的具體國(guó)情。機(jī)電一體化技術(shù)涉及機(jī)械、電子、以及控制等多門學(xué)科，是現(xiàn)代工業(yè)最主要的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)之一，是衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械裝備發(fā)展水平的重要標(biāo)志。雖然這門學(xué)科還正處于發(fā)展階段，許多理論還處于研究和完善階段，但是它代表著機(jī)械工業(yè)技術(shù)革命的前沿方向，是綜合國(guó)力的又一具體體現(xiàn)。因此，我們應(yīng)該重視該學(xué)科的研究，并大力發(fā)展這門學(xué)科，逐漸縮小與日美等發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。本次設(shè)計(jì)是對(duì)CA6140普通車床的數(shù)控化改造。在國(guó)內(nèi)，盛行普通車床改造成數(shù)控車床，此設(shè)計(jì)就是針對(duì)著這以目的而設(shè)計(jì)的，這就降低了生產(chǎn)成本，縮短了工業(yè)化的進(jìn)程，同時(shí)為廣大的生產(chǎn)廠家所接受。
此設(shè)計(jì)主要是結(jié)合國(guó)內(nèi)的具體國(guó)情，針對(duì)于廣大的用戶所設(shè)計(jì)的。遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上那些外國(guó)的設(shè)備所達(dá)到的精度。當(dāng)然，時(shí)代在發(fā)展，隨著我國(guó)的正和國(guó)力迅速攀升，在不久的將來那些精度要求比較高的數(shù)控設(shè)備一定出現(xiàn)在中國(guó)的大部分企業(yè)中。
關(guān)鍵字：數(shù)控改造 機(jī)電一體化 國(guó)情 學(xué)科研究
Abstract
Along with the science technical fast fierce development, number's controling tool machine has already become the important marking which measures a national machine manufacture industry level.Adopt the economic number controls system to carry on a number to control to turn a reformation to the common tool machine, particularly in keeping with our country the common tool machine own to have great capacity, the small concrete state of the nation of the production scale.The machine electricity integral whole turns a technique to involve a machine, electronics, and control etc. several academicses, is one of the foundation technique and core techniques of modern and industrial most, is the important marking which measures a national development level of the machine material.Although this academics is still be placed in a development a stage, many orieses are still placed in research and perfect stage, it represents the machine industrial technique revolution of ex- follow a direction, is comprehensive another concrete body of national strength now.Therefore, we should value the research of that academics, and strongly develop this academics, contract to wait with day the United States gradually flourishing nation of margin.This design is to control to turn a reformation to the number of CA6140 common lather.At the domestic, the widely accepted common lather reforms into a number to control lather, this design is to aim at this with the purpose but design of, this lowered production cost and shortenned industrialization of the progress is a large production factory in the meantime, house accept.
This design is mainly to combine local concrete state of the nation and aim at at what large customer design.Far and far can not compare with the accuracy that the equipments of those foreign countries attain.Certainly, the ages is in the development, along with our country of positive with the national strength quickly increase, in the near future those greatly parts of business enterprises that the accuracy requests higher number to control an equipments and must appear in China in.
Key word:The number controls a reformation The machine electricity integral whole turn State of the nation The academics study
緒論
普通機(jī)床數(shù)控化改造,實(shí)質(zhì)是機(jī)械工程技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合。經(jīng)改造后的機(jī)床加工的精度、效率、速度都有了很明顯的提高，適合我國(guó)現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展要求。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是對(duì)機(jī)床機(jī)械部分進(jìn)行改造,以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及刀架的快速換刀,使傳動(dòng)系統(tǒng)變得十分簡(jiǎn)單，傳動(dòng)鏈大大縮短,傳動(dòng)件數(shù)減少,從而提高機(jī)床的精度。
設(shè)計(jì)中，我們對(duì)有關(guān)數(shù)控機(jī)床及數(shù)控改造的相關(guān)書籍、刊物進(jìn)行大量閱讀,收集了很多資料,了解了數(shù)控機(jī)床的基本概念，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況，數(shù)控機(jī)床的組成及其工作原理，擴(kuò)大了我們的知識(shí)面。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代機(jī)械制造要求產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對(duì)零件的加工質(zhì)量的要求也越來越高。隨著社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化要求的增強(qiáng)，產(chǎn)品品種增多,產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。數(shù)控機(jī)床代替普通機(jī)床被廣泛應(yīng)用是一個(gè)必然的趨勢(shì)。同時(shí)，數(shù)控機(jī)床將向著更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能發(fā)展。
第一部分：數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)知識(shí)
1.1數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械制造要求產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對(duì)零件加工質(zhì)量的要求也越來越高。隨著社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣話需求的增強(qiáng)，產(chǎn)品品種增多，產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。這就要求數(shù)控機(jī)床成為一種具有高效率、高質(zhì)量、高柔性和抵成本的新一代制造設(shè)備。尤其是FMS的迅猛發(fā)展CIMS的興起和不斷成熟，對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)提出了更高的要求?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床正向著更高的速度、更高的精度、更高的可靠性及更完善的功能發(fā)展。
1. 智能化
在數(shù)控機(jī)床控機(jī)床采用了交流數(shù)字伺服系統(tǒng)。伺服電動(dòng)機(jī)的位置環(huán)、速度環(huán)、及電流環(huán)都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，并采用了不受機(jī)械負(fù)荷變動(dòng)影響的高速響應(yīng)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
同時(shí)，高分辨率、高響應(yīng)的絕對(duì)位置檢測(cè)器也已應(yīng)用到數(shù)字伺服系統(tǒng)中，這種檢測(cè)器每轉(zhuǎn)可進(jìn)行100萬細(xì)分,可在1000r/min的高速運(yùn)轉(zhuǎn)中使用。
此外，提高主軸轉(zhuǎn)速、減少非切削時(shí)間，采用快速插補(bǔ)、超高速通信技術(shù)都使現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的切削速度得到很大的提高。
2. 高精度化
高精度化一直是機(jī)床數(shù)控技術(shù)發(fā)展追求的目標(biāo)，在20世紀(jì)末一取得明顯的效果。普通級(jí)中等規(guī)格的加工中心的定位精度已從20世紀(jì)80年代初的+12 m提高到+0.5 m.
現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床通常采用以下技術(shù)來提高精度：
利用數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償功能，提高其加工精度和動(dòng)態(tài)特性。例如補(bǔ)償軸向運(yùn)動(dòng)誤差、絲杠導(dǎo)程誤差、齒輪間隙誤差、刀具磨損誤差等。在新一代數(shù)控系統(tǒng)中，還開發(fā)了具有熱補(bǔ)償、空間誤差補(bǔ)償功能的傳感器件和軟件。
采用高分辨率、高響應(yīng)性的絕對(duì)位置傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)切削加工的精密檢測(cè)。如這種傳感器檢測(cè)到的絕對(duì)位置信號(hào)，通過專用微處理器進(jìn)行細(xì)分處理，可達(dá)到極高的分辨率,現(xiàn)已生產(chǎn)出配套的專用芯片,大大提高了使用精度和可靠性。
采用數(shù)字式伺服控制技術(shù)，該技術(shù)是基于現(xiàn)代控制理論而構(gòu)成的反饋控制技術(shù)。該技術(shù)引進(jìn)的現(xiàn)代控制技術(shù)有：非線性補(bǔ)償技術(shù)，消除機(jī)床靜摩檫引起的誤差；魯棒控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)加速度反饋，減小因負(fù)載變動(dòng)而引起的誤差；前饋控制技術(shù)，使伺服系統(tǒng)的追蹤滯后減少一半,改善拐角切削加工精度；加減速控制技術(shù)，可在插補(bǔ)前后進(jìn)行平滑的加減速控制.可使系統(tǒng)形狀誤差減至最小，保證系統(tǒng)具有高精度、高速度雙重性能；低噪聲電動(dòng)機(jī)技術(shù)，保證控制系統(tǒng)獲得高增益,目前生產(chǎn)的低噪聲電動(dòng)機(jī)，其噪聲水平已降到額定值到0.5 以下,提高數(shù)控機(jī)床機(jī)械本體中基礎(chǔ)大件的結(jié)構(gòu)剛性和熱穩(wěn)定性。
3. 高可靠性. 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的可靠性是在設(shè)計(jì)階段就開始進(jìn)
行，即預(yù)先確定可靠性指標(biāo)，在生產(chǎn)過程中模擬實(shí)際工作條件，進(jìn)行檢測(cè)并提高可靠性的措施予以保證。通常采用的可靠性技術(shù)有：冗余技術(shù)，故障診斷技術(shù)，自動(dòng)檢錯(cuò)、糾錯(cuò)技術(shù)，系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)，軟件可靠性技術(shù)等。
4.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床還采取了以下措施來提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性：
(1)提高元器件和系統(tǒng)的可靠性。新型的數(shù)控系統(tǒng)大量采用大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成 電路，采用專用芯片及混合式集成電路，使電路的集成度提高，元器件數(shù)量減小,供耗降低，從而大幅度降低系統(tǒng)的故障率。
(2)采用抗干擾技術(shù)，提高數(shù)控系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。例如采取濾波、隔離、屏蔽、合理接地等抗干擾措施。
使數(shù)控系統(tǒng)模塊化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)控系統(tǒng)的硬件被制成多種功能模塊，根據(jù)機(jī)床數(shù)控功能的要求，選擇不同的模塊，還可以自行擴(kuò)展或裁剪,組成滿意的數(shù)控系統(tǒng)。模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的實(shí)現(xiàn)，不但便于組織開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用，而且提高了可靠性。
(3)提高自診斷及保護(hù)功能。數(shù)控系統(tǒng)一般都具有軟件、硬件及故障的自診斷程序,為了防止超程,可以在系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先設(shè)定工作范圍，避免由于限位開關(guān)的不可靠而造成軸端超程,數(shù)控系統(tǒng)還具有自動(dòng)返回功能，當(dāng)機(jī)床在加工過程中，出現(xiàn)某種特殊情況時(shí),例如由于刀具斷裂等原因造成加工中斷時(shí),數(shù)控系統(tǒng)能力將刀具位置保存起來。在更換刀具后，只要重新輸入刀具的有關(guān)數(shù)據(jù),刀具就能自動(dòng)回到正確位置，保證通電后繼續(xù)工作，不讓工件報(bào)廢。
(4)多功能復(fù)合化
現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的功能復(fù)合化發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都具有人機(jī)對(duì)話功能，都有很“友好”的人機(jī)界面,借助CRT與鍵盤的配合，可以實(shí)現(xiàn)程序的輸入、編輯、修改、刪除等功能。此外還具有前臺(tái)操作、后臺(tái)編輯的功能，并大量采用菜單選擇操作方式，操作更加方便
1.2數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床的工作原理：首先根據(jù)零件圖樣制定工藝方案,采用手工或計(jì)算機(jī)進(jìn)行零件的程序編制，把加工零件所需的機(jī)床各種運(yùn)作及全部工藝參數(shù)變成機(jī)床數(shù)控裝置能接受的信息代碼，并把這些代碼存儲(chǔ)在信息載體(上穿孔紙帶、磁盤等)。另一種方法是利用計(jì)算機(jī)和數(shù)控機(jī)床的借口直接進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)零件程序的輸入和輸出。
進(jìn)入數(shù)控裝置的信息，經(jīng)過一系列處理和運(yùn)算轉(zhuǎn)變成脈沖信號(hào)。有的信號(hào)送到機(jī)床的伺服系統(tǒng)，通過伺服機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，再經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)床有關(guān)部件,使刀具和工件嚴(yán)格執(zhí)行零件加工程序所規(guī)定的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。還有的信號(hào)送到可編程控制器中，用以順序控制機(jī)床的其他輔助動(dòng)作,如實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)更換和變速、松夾工件、開關(guān)切削液等動(dòng)作。
數(shù)控機(jī)床主要有信息載體、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等四個(gè)基本部分組成。
1.信息載體
信息載體(又稱控制介質(zhì))的功能是用于記載以數(shù)控加工程序表示的各種加工信息，如零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)等以控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和和各種動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)零件的機(jī)械。常用的信息載體有穿孔紙帶,磁盤和磁帶。信息載體上的各種加工信息要經(jīng)輸入裝置輸送給控制裝置。對(duì)于用微型計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床，還可以通過信息接口從其他計(jì)算機(jī)獲取加工信息。也可用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工信息直接手動(dòng)鍵盤輸入，并將數(shù)控加工程序存入數(shù)控裝置的存儲(chǔ)器中。
2.數(shù)控裝置
數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的運(yùn)算和控制系統(tǒng)，在普通數(shù)控機(jī)床中一般由輸入裝置、控制器、運(yùn)算器、和輸出裝置組成，它接受信息載體的信息，并將其代碼加以識(shí)別、儲(chǔ)存、運(yùn)算、輸出相應(yīng)的指令脈沖以驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，進(jìn)而控制機(jī)床動(dòng)作。
3.伺服系統(tǒng)
系統(tǒng)的作用是來自數(shù)控裝置的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，它相映于手工操作時(shí)人的手，使工作臺(tái)精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴(yán)格的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最后加工出符合圖樣要求的零件。因此伺服系統(tǒng)的性能是決定數(shù)控機(jī)床的加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要因素之一。
4.機(jī)床本體
數(shù)控機(jī)床中的機(jī)床本體,在開始階段沿用普通機(jī)床，只是在自動(dòng)變速、刀架或工作臺(tái)自動(dòng)轉(zhuǎn)位和手柄等方面作些改變。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的外部造型、整體布局、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)與刀具系統(tǒng)的部件結(jié)構(gòu)以及操作結(jié)構(gòu)等機(jī)床的技術(shù)性能要求更高了。與傳統(tǒng)的普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床采用了高性能主軸部件及傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈較短;機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高剛度和耐磨性，熱變形??；更多地采用高效部件,如滾珠絲杠,靜壓導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌等。
1.3機(jī)床的運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)
1.主軸轉(zhuǎn)速
機(jī)床的主軸一般均采用直流或交流調(diào)速主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，選
用高速精數(shù)控密軸承支承,保證主軸具有較寬的調(diào)速范圍和足夠高的回轉(zhuǎn)精度、剛度及抗振性。目前，數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速已普遍達(dá)到5000-10000r/min,甚至更高，這樣對(duì)各種小孔加工以及提高專用零件加工質(zhì)量和表面質(zhì)量都極為有利。
2.進(jìn)給速度 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度是影響零件加工質(zhì)量、生產(chǎn)率以及刀具壽命的主要因素。它受數(shù)控系統(tǒng)裝置的運(yùn)算速度、機(jī)床動(dòng)特性及工藝系統(tǒng)剛度等因素的限制。目前國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度可達(dá)10-15m/min,國(guó)外數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度一般可達(dá)15-30m/min.
3.坐標(biāo)行程 數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸X、Y、Z的行程大小，構(gòu)成數(shù)控機(jī)床的空間加工范圍，即加工零件的大小。坐標(biāo)行程是直接體現(xiàn)機(jī)床加工能力的指標(biāo)參數(shù)。
4.擺角范圍 具有擺角坐標(biāo)的數(shù)控機(jī)床，其轉(zhuǎn)角大小也直接影響到加工零件空間部位的能力。但轉(zhuǎn)角太大又造成機(jī)床的剛度下降，因此給機(jī)床設(shè)計(jì)帶來許多困難。
5.刀庫(kù)容量和換刀時(shí)間 刀庫(kù)容量和換刀時(shí)間對(duì)數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)率有直接影響。刀庫(kù)容量是指刀庫(kù)能存放加工所需要的刀具數(shù)量，目前常見的中小型數(shù)控加工中心多為16-60把刀具，大型數(shù)控加工中心達(dá)100把刀具。換刀時(shí)間制帶有自動(dòng)交換刀具系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，將主軸上使用的刀具與裝在刀庫(kù)上的下一工序需用的刀具進(jìn)行交換所需的時(shí)間，目前國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床均在10-20s內(nèi)完成換刀,國(guó)外不少數(shù)控機(jī)床的換刀時(shí)間僅為4-5s.
1.4數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成、特點(diǎn)
1． 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械組成
由于數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和CNC技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)已從初期對(duì)通用機(jī)床局部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，逐步發(fā)展形成數(shù)控機(jī)床的獨(dú)特機(jī)械結(jié)構(gòu)。數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要下列個(gè)部分組成：
1） 機(jī)床的基礎(chǔ)件,又稱為機(jī)床大件,通常指床身、底座、立柱、橫梁、滑座和工作臺(tái) 等
2） 主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)
3） 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。
4） 實(shí)現(xiàn)主軸回轉(zhuǎn)、定位的裝置。
5） 實(shí)現(xiàn)某些部件動(dòng)作和輔助功能的系統(tǒng)和裝置，如液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑、冷卻、排屑、防護(hù)等。
6） 刀架或自動(dòng)換刀裝置。
7） 特殊功能裝置
8） 各種反饋裝置和元件。
2．?dāng)?shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：
1）高剛度 因?yàn)閿?shù)控機(jī)床要在高速度和高重載下工作，所以機(jī) 床的床身、主軸、立柱和刀架等主要部件,均需具有很高的剛度，工件中應(yīng)無變形或振動(dòng)。例如：床身應(yīng)合理布置加強(qiáng)肋,能承受重載與重切削力;工作臺(tái)與溜板應(yīng)具有足夠的剛度，能承受工作重量并使工作平穩(wěn)；主軸在高速下運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)承受大的徑向扭矩和軸向推力;立柱在床身上移動(dòng)，應(yīng)平穩(wěn)且能承受大的切削加工中應(yīng)十分平穩(wěn)且無振動(dòng)。
2）高靈敏性 數(shù)控機(jī)床工作時(shí),要求精度比較通用機(jī)床高，因而運(yùn)動(dòng)部件應(yīng)具有高靈敏度。導(dǎo)軌部件通常用于滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和塑料導(dǎo)軌等,以減少摩檫力,在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)無爬行現(xiàn)象。工作臺(tái)的移動(dòng),有直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)滾珠絲杠或靜壓絲杠傳動(dòng)。主軸既要在高剛度和高速下回轉(zhuǎn)，又要有高靈敏度，因而多數(shù)采用滾動(dòng)軸承或靜壓軸承。
3）高抗振性 數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件、除了應(yīng)具有高剛度、高靈敏度外，還應(yīng)具有高抗振性,在高速重載下應(yīng)無振動(dòng),一保證加工工作的高精度和高表面質(zhì)量。
4）熱變形小 機(jī)床的主軸、工作臺(tái)、刀架等運(yùn)動(dòng)部件,.在運(yùn)動(dòng)中常易產(chǎn)生熱量，為保證部件的運(yùn)動(dòng)精度，要求各運(yùn)動(dòng)部件的發(fā)熱量少，以防止產(chǎn)生熱量變形。
5）高精度保持性 為了保證數(shù)控機(jī)床在長(zhǎng)期內(nèi)具有穩(wěn)定的加工精度,要求數(shù)控機(jī)床具有高的精度保持性。除了各有關(guān)零件應(yīng)正確選材外，還要求采取一些工藝措施，如淬火和磨削導(dǎo)軌，一提高運(yùn)動(dòng)部件的耐磨性。
6）高可靠性 數(shù)控機(jī)床在自動(dòng)或半自動(dòng)條件下工作，尤其是在柔性制造系統(tǒng)中的數(shù)控機(jī)床，這24h運(yùn)轉(zhuǎn)中無人看管,因此要求機(jī)床具有高的可靠性。
7）刀具先進(jìn) 數(shù)控機(jī)床要能充分發(fā)揮效能,實(shí)現(xiàn)高精度、高自動(dòng)化,除了機(jī)床本身應(yīng)滿足上述要求外，必須保證長(zhǎng)期可靠地工作。
1.5數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)及其要求
1.5.1．?dāng)?shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)
1）精度高 由于數(shù)控機(jī)床的主軸部件本身的精度高、傳動(dòng)鏈短,
故數(shù)控的主傳動(dòng)系統(tǒng)的精度高。
2)轉(zhuǎn)速高、功率大 它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率切削和高速切削，提高生產(chǎn)率
3)調(diào)速范圍寬 數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)有較寬的調(diào)速范圍，以保證加工時(shí)能選用合理的切削用量,獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。
4)主軸組件的耐磨性高 凡有機(jī)械摩檫的部位如軸承、錐孔等都有較高的硬度，軸承處潤(rùn)滑良好，因此耐磨性高，精度保持性好
1.5.2．對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求
1）傳動(dòng)精度高 從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面考慮，進(jìn)給傳動(dòng)系的傳動(dòng)精度主要去取決與傳動(dòng)間隙和傳動(dòng)件的精度。傳動(dòng)間隙主要來自于傳動(dòng)齒輪副、絲杠螺母副之間，因此進(jìn)跟傳動(dòng)系統(tǒng)中廣泛采用施加預(yù)緊力或其它消除間隙的措施?？s短傳動(dòng)及采用高精度的傳動(dòng)裝置，也可提高傳動(dòng)精度。
2）摩檫阻力小 為了提高數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，必須減小運(yùn)動(dòng)件之間的摩檫阻力和動(dòng)、靜摩檫力之差。欲滿足上述要求，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)普通采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和塑料導(dǎo)軌。
3）運(yùn)動(dòng)部件慣量小 運(yùn)動(dòng)部件的慣量對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的起動(dòng)和制動(dòng)特性都有影響。因此，在滿足部件強(qiáng)度和剛度的前提下，應(yīng)盡可能減小運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量、減小旋轉(zhuǎn)零件的直徑，以降低其慣量。
滾珠絲杠副 在數(shù)控機(jī)床上，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)一般采用滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)。
滾珠絲杠的特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高,一般為η=0.92-0.96;傳動(dòng)靈敏,不易產(chǎn)生爬行；;使用壽命長(zhǎng)；具有可逆性,不僅可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，亦可將直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；施加預(yù)緊力后,可消除軸向間隙，反向時(shí)無空行程;成本高,不能自鎖,垂直安裝時(shí)需有平衡裝置。
滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)和工作原理; 滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種方式
在外循環(huán)中,當(dāng)絲杠相對(duì)于螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)絲杠的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)滾珠推動(dòng)螺母軸向移動(dòng),同時(shí)滾珠沿螺旋形滾道滾動(dòng)，使絲杠和螺母之間的滑動(dòng)摩檫變?yōu)闈L珠與絲杠、螺母之間的滾動(dòng)摩檫,螺母螺旋槽的兩端用回株管連接起來，使?jié)L珠能夠從一端重新回到另一端,構(gòu)成一個(gè)閉合的循環(huán)回路。
在內(nèi)循環(huán)中，在螺母的測(cè)孔中裝有圓柱凸輪式反向器反向器上銑有S形回珠槽,將相等兩螺紋滾道聯(lián)結(jié)起來。滾珠從螺紋滾道進(jìn)入反向器,借助反向器迫使反向器越過絲杠牙頂進(jìn)入相鄰滾道，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。
滾珠絲杠螺母副間隙的調(diào)整方法,為了保證滾珠絲杠副的反向傳動(dòng)精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙。常采用雙螺母施加預(yù)緊力的方法消除軸向間隙，但必須注意預(yù)緊力不能太大，預(yù)緊力過大會(huì)造成傳動(dòng)效率降低、摩檫力增大，磨損增大、使用壽命降低。常用的雙螺母消除間隙的方法有：
（1）墊片調(diào)隙式
如圖1-5-1所示，此種形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、剛度好，應(yīng)用最為廣泛，在雙螺母間加墊片的形式可由專業(yè)生產(chǎn)廠根據(jù)用戶要求事先調(diào)整好預(yù)緊力，使用時(shí)裝卸非常方便。
（2）齒差調(diào)隙式 如圖1-5-2所示, 兩螺母的凸輪緣為圓柱外齒輪,而且齒數(shù)差為1,兩只內(nèi)齒輪用螺釘、定位銷緊固在螺母座上。調(diào)整時(shí)先將內(nèi)齒輪取出，根據(jù)間隙大小使兩螺母分別向相同方向轉(zhuǎn)過1個(gè)齒或幾個(gè)齒,然后再插入內(nèi)齒輪，使螺母在軸向彼此移動(dòng)了相應(yīng)的距離，從而消除兩個(gè)螺母的軸向間
圖1-5-1 墊片調(diào)隙式
隙。這種方法的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸較大,適應(yīng)于高精度傳動(dòng)。
（3）螺紋調(diào)隙式 如圖1-5-3所示，利用一個(gè)螺母上的外螺紋，通過圓螺母調(diào)整兩個(gè)螺母的相對(duì)軸向位置實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，調(diào)整好后用另一個(gè)圓螺母鎖緊，這種結(jié)構(gòu) 圖1-5-2 齒差調(diào)隙式
調(diào)整方便，且可在使用過程中，隨時(shí)調(diào)整，但預(yù)緊力大小不能準(zhǔn)確控制。
圖1-5-3 螺紋調(diào)隙式
（4）單螺母預(yù)緊式 單螺母預(yù)緊原理如圖1-5-4所示，為了補(bǔ)償滾道的間隙，設(shè)計(jì)時(shí)將滾珠的尺寸適當(dāng)增大，使其4點(diǎn)接觸，產(chǎn)生預(yù)緊力，為了提高工作性能，可以在承載滾珠之間加入間隔鋼球。
圖1-5-4 單螺母預(yù)緊式
第二部分：總體方案設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)任務(wù)
將CA6140普通車床高造成用MCS－51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。要求該車床有自動(dòng)回轉(zhuǎn)，具有切削螺紋的功能。在縱向和橫向具有直線和圓弧差補(bǔ)功能。系統(tǒng)分辨率縱向：0.01mm/步，橫向;0.005mm/步。
設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
最大加工直徑：
在床鞍上：210mm
在床面上：400mm
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0.5m/min
橫向0.25m/min
脈沖分配方式：逐點(diǎn)比較法
控制坐標(biāo)數(shù)：2
最小指令值
縱向：0.15mm/脈沖
橫向;0.005mm/脈沖
刀具補(bǔ)償量：0～99.99mm
自動(dòng)升降能力：有
2.2.總體方案確定
2.2.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造候的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線差補(bǔ)、順、逆園差補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)。由于MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)，決定采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。
2.2.3機(jī)械傳動(dòng)方式
為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所需要的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)行，盡量見效摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)，如圖（2-2）
2-2經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床總體方案框圖
第三部分：電機(jī)的選擇和脈沖當(dāng)量的選擇
3.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量
一個(gè)進(jìn)給脈沖，使機(jī)床運(yùn)動(dòng)不見產(chǎn)生的位移量，稱為脈沖當(dāng)量，也稱為機(jī)床的最小設(shè)定單位。脈沖當(dāng)量使衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01～0.005mm/脈沖，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控磨床經(jīng)常采用脈沖當(dāng)量為0.002～0.001mm/脈沖。此次設(shè)計(jì)中，在設(shè)計(jì)任務(wù)書中沒有直接給出，根機(jī)床的定位精度來確定脈沖當(dāng)量的大小，此次設(shè)計(jì)中我們要求的機(jī)床的定位精度達(dá)到0.015mm.
根據(jù)這個(gè)精度我們確定機(jī)床系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為，縱向：0.01mm/步 橫向：0.0054mm/步。
3.2電機(jī)的選擇
3.2.1縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算
目前，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中大多采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)， CA6140縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定：
(1) 步距角θb
θbLo/360i = 0.75×6/1.25×360 = 0.01
(2) 矩頻特性
步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)在(靜止?fàn)顟B(tài)),可以[2]表2-11中查出.步進(jìn)電機(jī)的名義轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩有[2]表2-11所示的關(guān)系
即 Mmq = λMjmax
步進(jìn)電機(jī)選用五相十拍,則λ = 0.951
Mjmax = 13.72 N.m
Mmq = λMjmax = 0.951×13.72 = 13.05
所選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mmq
即Mkq≤Mmq
顯然所選電機(jī)滿足要求,電機(jī)型號(hào)為150BF002
3.2.2橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算
CA6140縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定：
(3) 步距角θb
θbLo/360i = 0.36×5/1×360 = 0.005
(4) 矩頻特性
步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)在(靜止?fàn)顟B(tài)),可以[2]表2-11中查出.步進(jìn)電機(jī)的名義轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩有[2]表2-11所示的關(guān)系
即 Mmq = λMjmax
步進(jìn)電機(jī)選用五相十拍,則λ = 0.951
Mjmax = 2.156 N.m
Mmq = λMjmax = 0.951×2.156= 2.05
所選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mmq
即Mkq≤Mmq
顯然所選電機(jī)滿足要求,電機(jī)型號(hào)為90BF006
第四部分：導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)
第一種方案：滾動(dòng)導(dǎo)軌
4.1滾動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)
目前，滾動(dòng)導(dǎo)軌再數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用非常的廣泛，因?yàn)槠淠Σ料禂?shù)小，f=0.0025～0.005;動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接近，且?guī)缀醪皇苓\(yùn)動(dòng)速度變化的影響，運(yùn)動(dòng)輕便靈活，所需驅(qū)動(dòng)功率小；摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持好；低速運(yùn)動(dòng)時(shí)不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，因而定位精度高。所以本次設(shè)計(jì)優(yōu)先選用滾動(dòng)導(dǎo)軌而不用滑動(dòng)導(dǎo)軌。
4.2選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式
滾動(dòng)導(dǎo)軌可分為滾動(dòng)體不作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)體作循環(huán)的直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌兩大類。其中滾動(dòng)體不作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌又分為滾珠導(dǎo)軌、滾柱導(dǎo)軌、滾針導(dǎo)軌三類。其中前者只適合于載荷小于2000N以下，因而承載能力小，并且因?yàn)闀r(shí)點(diǎn)接觸，剛度也低。后者滾動(dòng)導(dǎo)軌的滾動(dòng)體時(shí)滾針，其廠長(zhǎng)徑比（導(dǎo)軌的長(zhǎng)度和滾動(dòng)體的直徑之比）比滾珠大，能承載重荷，因而摩擦系數(shù)也要大些。本次設(shè)計(jì)要求的切削力大于2000N以上，所以選擇滾柱導(dǎo)軌。
4.3滾動(dòng)導(dǎo)軌預(yù)緊方式的確定
滾動(dòng)導(dǎo)軌經(jīng)過預(yù)緊，可顯著地提高其剛度。通常經(jīng)過預(yù)緊的導(dǎo)軌的剛度可以比沒有預(yù)緊的高三倍左右。因此，對(duì)于顛覆力矩較大，或要求接觸剛度或移動(dòng)精度較高的導(dǎo)軌均應(yīng)進(jìn)行預(yù)緊。但預(yù)緊力應(yīng)適當(dāng)，預(yù)緊力過大會(huì)使?fàn)恳︼@著增加。常用的預(yù)緊方法有兩種：采用過盈配合或采用調(diào)整元件。因?yàn)镃A6140的床身上的下托板的兩側(cè)都設(shè)計(jì)的有調(diào)整元件，此次改造用托板兩側(cè)的頂絲來預(yù)緊導(dǎo)軌。如圖4-3
4-3滾動(dòng)導(dǎo)軌的預(yù)緊
4.4滾動(dòng)導(dǎo)軌幾何參數(shù)的確定
4.4.1滾動(dòng)體尺寸和數(shù)目的選擇
滾動(dòng)體直徑越大，滾動(dòng)摩擦阻力及接觸應(yīng)力久越小，但滾動(dòng)體的直徑過小，則不僅摩擦阻力加大，而且還會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)現(xiàn)象，所以再結(jié)構(gòu)尺寸不受限制時(shí)，應(yīng)盡可能選用較大的直徑。滾珠直徑應(yīng)不小于6～8mm。滾柱的長(zhǎng)度應(yīng)適當(dāng)，過短會(huì)增加導(dǎo)軌面的壓強(qiáng)，過長(zhǎng)則會(huì)因滾珠的錐度誤差引起載荷分布不均勻。一般淬硬鋼制造的導(dǎo)軌，滾柱的長(zhǎng)徑比最好不超過1.5～2。在這里我選用滾珠直徑為8mm的滾柱。
滾動(dòng)體的樹木也應(yīng)選擇適當(dāng)，滾動(dòng)體樹木過少，則導(dǎo)軌的制造誤差將明顯地影響動(dòng)導(dǎo)軌地位置精度。隨著滾動(dòng)體數(shù)目地增多，不僅提高了動(dòng)導(dǎo)軌地位置精度，還可以降低導(dǎo)軌地壓強(qiáng)。通常每個(gè)導(dǎo)軌上每排滾子的數(shù)量最少為12～16個(gè)。但滾動(dòng)體數(shù)目太多 ，則會(huì)出現(xiàn)載荷在滾動(dòng)體上分布不均勻的現(xiàn)象，部分滾動(dòng)體可能受不到載荷而不起作用，反而使剛度下降。 在這里我選用單排滾珠的數(shù)目為14個(gè)。
在根據(jù)結(jié)構(gòu)選擇滾動(dòng)體的尺寸和數(shù)目后，還要驗(yàn)算滾動(dòng)體的承載能力，發(fā)現(xiàn)不能滿足要求時(shí)，可加大滾動(dòng)體的直徑或增加滾動(dòng)體的數(shù)目。
4.4.2滾動(dòng)導(dǎo)軌的長(zhǎng)度
滾動(dòng)導(dǎo)軌重的滾動(dòng)體和保持架隨著導(dǎo)軌移動(dòng)，但其移動(dòng)速度僅是動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)速度的一半。如圖4-4
圖4-4
如圖4-4所示滾動(dòng)體與保持架長(zhǎng)度為
式中－動(dòng)導(dǎo)軌的長(zhǎng)度（mm）;
l－動(dòng)導(dǎo)軌行程長(zhǎng)度（mm）
支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度L（mm）為
由于本次改造選用的是第二種方案，第一種方案的計(jì)算省略，僅供參考。
第二種方案：塑料導(dǎo)軌
4.5塑料導(dǎo)軌的應(yīng)用
目前，在普通機(jī)床上仍廣泛地應(yīng)用滑動(dòng)導(dǎo)軌，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、剛度好、抗震性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是傳統(tǒng)的鑄鐵－鑄鐵、鑄鐵－淬火鋼的導(dǎo)軌副，其靜摩擦系數(shù)大，動(dòng)摩擦系數(shù)隨速度變化而變化，摩擦損失大，低速時(shí)容易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象而降低運(yùn)動(dòng)部件的定位精度，因此目前在數(shù)控機(jī)床上已不采用，而代之以鑄鐵－塑料或鑲鋼－塑料導(dǎo)軌。
4.6貼塑導(dǎo)軌
聚四氟乙烯軟膠帶，是以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結(jié)而成。它具有摩擦特性好、耐磨性好、減震性好等特點(diǎn)，已成功地用在中、小型數(shù)控機(jī)床上。這種軟帶可在原有滑動(dòng)導(dǎo)軌上用粘結(jié)劑粘結(jié)，加壓固化后進(jìn)行精加工，故一般稱之為貼塑導(dǎo)輪。由于其工藝較簡(jiǎn)單，對(duì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滑動(dòng)導(dǎo)軌不需作大地改動(dòng)，故在普通機(jī)床數(shù)控改裝上應(yīng)用很廣泛。
本此改造就應(yīng)用這種簡(jiǎn)便的技術(shù)，同時(shí)很好地達(dá)到機(jī)床的各種要求。
第五部分：縱、橫向自動(dòng)走刀機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)
5.1設(shè)計(jì)任務(wù)
本設(shè)計(jì)任務(wù)是利用數(shù)控裝置對(duì)CA6140普通車床進(jìn)行數(shù)控改造.對(duì)縱、橫進(jìn)給開環(huán)控制,縱向脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖,橫向脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖,驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī),傳動(dòng)裝置采用滾珠絲杠副,刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。
5.2總體設(shè)計(jì)的方案確定
考慮到具體方案時(shí),基本原則是在滿足使用要求的前提下對(duì)機(jī)床的改動(dòng)盡可能少,以降低成本.確定機(jī)械部分改造總體方案為：
1縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造 拆除原機(jī)床的進(jìn)給箱,利用原機(jī)床進(jìn)給箱的安裝孔和銷孔安裝步進(jìn) 電動(dòng)機(jī)減速齒輪箱,滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置,兩端采用原固定方式,這樣可減少改造工作量,由于滾珠絲杠的摩檫系數(shù)小于原絲杠所以縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)整體剛性優(yōu)于以前。
2橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)改造 保留原手動(dòng)機(jī)構(gòu),用于調(diào)整操作,原有的支撐結(jié)構(gòu)也保留,步進(jìn)電動(dòng)機(jī),齒輪箱體安裝在中滑板的后側(cè)。
3刀架改造 電動(dòng)刀架能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀功能，減少輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。我們選用常州宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠的LD4-CK6140刀架。
4 數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)采用南京博洋數(shù)控設(shè)備有限公司的BY-300T型車床數(shù)控系統(tǒng)。
5 編碼器 在螺紋車削時(shí)，主軸每轉(zhuǎn)一圈，刀架移動(dòng)一個(gè)螺距值，在數(shù)控機(jī)床中靠編碼器檢測(cè)主軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速并反饋到數(shù)控系統(tǒng)后，再由系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整進(jìn)給軸的進(jìn)給速度來保證。為了保證每次吃刀都不亂扣必須安裝編碼器，我們選擇了長(zhǎng)春光學(xué)儀器廠的ZJE-38A型光電編碼器。
5.3 縱向自動(dòng)走刀機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)
其主要設(shè)計(jì)參數(shù)：
加工最大直徑：在床面上
在床鞍上
加工最大長(zhǎng)度：1000mm
工作臺(tái)重量 w=80千克(粗略估計(jì))
時(shí)間常數(shù) t=25ms
滾珠絲杠基本導(dǎo)程 Ph=6mm
行程 s=1000mm
脈沖當(dāng)量 δp=0.01/脈沖
步距角 ψ=0.75mm/脈沖
快速進(jìn)給速度 Vmax=4m/min
5.3.1切削力計(jì)算
縱切外圓時(shí),車床的切削力Fz可以用下式計(jì)算：
FZ=0.67
式中：Dmax為在車床床面上加工的最大直徑(mm ),Dmax=21mm
則 Fz=0.67×210=2039(N)
進(jìn)給抗力Fx和切深抗力可按下列比例分別求出
Fz ： Fx ： Fy = 1 ： 0.25 ： 0.4
則 Fx=0.25×2039=510(N) Fy = 0.4 × 2039 = 815.6(N)
5.3.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算
(1) 實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力,可用下列進(jìn)給牽引力實(shí)際公式計(jì)
算,對(duì)于三角形或綜合導(dǎo)軌機(jī)床：
f = KFx + f′(Fz + W)
式中： Fx Fz — X Z方向上的切削分力,單位為N
W — 移動(dòng)部件的重量,單位為
F'' — 導(dǎo)軌上的摩檫系數(shù)
K — 考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)
對(duì)于三角形或綜合性導(dǎo)軌機(jī)床：
K = 1.15 f' = 0.15-0.18 取f '= 0.16
則 Fm = 1.15 ×510 + 0.16 (2039 + 800) = 1040.7(N)
(2) 最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算及主要尺寸初選
滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動(dòng)載荷Ca選用,最大動(dòng)載荷計(jì)算原理與滾珠軸承相似,滾珠絲杠最大C可用下式計(jì)算：
C = fm Fm
式中： L為工作壽命,單位為10r , L=60nt/10 ; n 為絲杠轉(zhuǎn)速(r/min),n =1000v/Lo, v 為最大切削力條件下的進(jìn)給速度(m/min),可取最高進(jìn)給速度的1/2-1/3 ;Lo為絲杠基本導(dǎo)程(mm) ;計(jì)算時(shí),可根據(jù)快進(jìn)速度Vmax和絲杠最大轉(zhuǎn)速nmax初選一個(gè)數(shù)值Lo≥1000Vmax/nmax,待剛度驗(yàn)算后再確定t為額定使用壽命(h)可取t =1500h;fm為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù),一般情況取1.2-1.5; Fm為滾珠絲杠工作載荷(N)
v = 1/2vmax = 1/2 ×4 = 2 m/min
nmin = 1440 ×1.129 = 1625.8r/min
Lo≥1000vmax/nmax=1000×4/1625.8=2.46mm 取Lo=6mm
則 n=1000v/Lo=1000×2/6=333r/min
L=60nt/10=60×333×15000/10=300 (10r)
C=fm Fm= ×1.3×1040. 7=9056.8 (N)
初選滾珠絲桿副的尺寸,相應(yīng)的額定動(dòng)載荷Ca不得小于最大動(dòng)載荷C：Ca>C,選用內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)螺旋副：
Dw=3.696, dm=40mm, Ca=16300, Coa=47100,λ=2?44', Lo=6, 1×2
(3) 傳動(dòng)效率計(jì)算：
滾動(dòng)絲杠螺紋的傳動(dòng)效率η為：η=tg/ tg ()
式中： λ為絲杠螺紋升角,可根據(jù)初選型號(hào)查出,λ=2.44°;ψ為摩檫絲杠副的滾動(dòng)摩檫系數(shù)f=0.003-0.004,其摩檫角約等于10?
則 η=tg2?44'/ tg (2?44'+10')
(4) 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠副的軸向變形將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化,從而影響其定位精和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性,滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形,絲杠與螺母之間滾道的接觸變形,絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形.滾珠絲杠的扭矩變形較小,對(duì)縱向變形的影響更 小,可忽略不計(jì),螺母座只要設(shè)計(jì)合理,其變形量也可忽略不計(jì)。絲杠軸承的軸向接觸變形計(jì)算方法可參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).可供滾珠絲杠支承使用的滾動(dòng)軸承種類很多,目前占優(yōu)勢(shì)的有：接觸角為60的推力角接觸球軸承,可以背靠背或面對(duì)面組配,還可以三聯(lián)組配,四聯(lián)組配等,為提高剛度和承載能力。因此,只要滾珠絲杠的剛度設(shè)計(jì)得好,軸承的軸夏管內(nèi)接觸變形在此可以不予考慮。
<1> 絲杠的拉壓變形量
滾珠絲杠應(yīng)計(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量
δ1= FmL/EA
式中： 為在工作載荷 作用下絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量(mm)：為絲杠的工作載荷(N); L為滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度(mm); E材料彈性模量,對(duì)鋼E=20.6×10Mpa;A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面 (mm), + 號(hào)用于拉伸, - 號(hào)用于壓縮。
Fm = 1040.7 (N) L = 1600 mm E =20.6×10 Mpa A= (dm-Dm)
則δ1=FmL/EA=1040.7×1600/20.6×π/4(40-3.969)=0.0079mm
<2> 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2
該變形量與滾珠列.圈數(shù)有關(guān),即與滾珠總數(shù)量有關(guān),與滾珠絲杠的長(zhǎng)度無關(guān),有預(yù)緊力時(shí)δ2=0.013Fm/
式中： Dw為滾珠直徑(mm);Z 為滾珠總數(shù)量, Z=Z×圓數(shù)×列數(shù); Z為一圈的滾珠數(shù),Z=(πdm/Dm)-3(內(nèi)循環(huán)); dm為滾珠絲杠的公稱直徑(mm);Fxj為預(yù)緊力(Kgf); Fm為滾珠絲杠工作載荷(Kgf);
Dw = 3.969 mm Z = π × 40/ (3.969-3) ×1×2
Fm = 1040.7 (N) Fxj = 1/3 Fx = 1/3 ×510 = 170 (N)
所以, δ2=0.0013=0.0022mm
絲杠的總變形量δ = δ1+δ2=0.0079+0.0101<0.015
由此可得滾珠絲杠副剛度滿足條件
(5) 壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算：
滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿,若軸向工作載荷過大,將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲,即失穩(wěn).失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為：
Fk = π E I / (fzL) (N)
式中： E為絲杠材料彈性模量,對(duì)鋼E=20.6×10 Mpa;I為截面慣性矩,對(duì)絲杠圓截面I=π /64(mm) (d1為絲杠底徑);為絲杠最大工作長(zhǎng)度(mm); fz為絲杠支承方式系數(shù)
I = π (40-9) / 64 = 45310 fz=2(一端固定一端簡(jiǎn)支) L=1600mm
Fk = π EI/ (fzL ) = 20.6× 10× 45310/(2× 1600)=8987(N)
穩(wěn)定性足夠。
5.3.3齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算：
傳動(dòng)比： i= φ Ph / 360δp=0.75× 6/360× 0.01=1.25
故取齒輪齒數(shù)： Z1=32 Z2=40
模數(shù)： m=2mm b=20mm α =20?
分度圓直徑： d1=mz=2 32=64mm d=mz=2 40=80
齒頂圓直徑： da1=d+2mhamm=68mm da2=d2+2mhamm=84mm
中心距： a=(d1+d2)/2=72mm
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算：
工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J1=(180δp/π)W=(180×0.01×/0.75)×80/