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1 C6140 車床數(shù)控化改造之機(jī)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(jī)床除 了能加工平面及孔等簡(jiǎn)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(diǎn) 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(jī)械系統(tǒng)部分改造的一種方案 改造后 機(jī)床利用微型計(jì)算機(jī)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 縱橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)改造成分別用伺服電機(jī)來 控制 普通絲杠被改裝成一對(duì)齒輪和滾珠絲杠 伺服電機(jī)帶動(dòng)齒輪運(yùn)動(dòng) 再將動(dòng)能 傳到滾珠絲杠 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使工作臺(tái)移動(dòng) 論文最后對(duì)系統(tǒng)的誤差及精度進(jìn)行分 析 并提出改進(jìn)的方法 建議 關(guān)鍵詞 數(shù)控改造 機(jī)械系統(tǒng) 開環(huán)系統(tǒng) 伺服電機(jī) 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(jì)方案 13 1 1 對(duì)機(jī)床改造的方案 13 1 2 實(shí)現(xiàn)的目標(biāo) 14 2 傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 15 2 1 機(jī)械部分的數(shù)控化改造 15 2 2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 15 2 2 1 改造要求 15 2 2 2 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造 15 2 2 3 導(dǎo)軌副的改造 16 2 3 縱向 向 進(jìn)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(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17 2 3 3 切削力的計(jì)算 17 2 3 4 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 18 2 3 5 有關(guān)齒輪計(jì)算 19 2 3 6 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 20 2 3 7 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算 21 2 4 橫向 Y 向 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算 22 2 4 1 切削力計(jì)算 22 2 4 2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 22 4 2 4 3 齒輪及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 24 2 4 4 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 24 2 4 5 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算 25 3 1 步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則 26 3 2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 27 4 分析誤差來源 28 4 1 機(jī)械結(jié)構(gòu)原因 28 4 2 齒輪副誤差補(bǔ)償分析 28 4 3 滾珠絲杠副誤差補(bǔ)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(jī)床已經(jīng)越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高 勞動(dòng)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(huì)造成極大的浪費(fèi) 所以最經(jīng)濟(jì)的辦法 就是對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行經(jīng)濟(jì)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(duì)于中小型企業(yè)是十分有效的 該課題來源于生產(chǎn)實(shí)踐的需要 利用大量閑置舊機(jī)床 對(duì)起進(jìn)行數(shù)控化改造后 成為一種高效的 多功能的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)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(dòng)化的必由之路 數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù) 對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的滲 透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 數(shù)控機(jī)床 其技術(shù)范圍涉及很多領(lǐng)域 機(jī)械制造技術(shù) 信息處理技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù) 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 傳感器技術(shù) 軟件技術(shù)等 機(jī)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(jī)床加工不出來的曲線 曲面等復(fù)雜的零件 2 可以實(shí)現(xiàn)加工的柔性自動(dòng)化 大大提高加工效率 實(shí)現(xiàn) 柔性自動(dòng)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(shí)現(xiàn)多工序的集中 減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn) 5 擁有自動(dòng)報(bào)警 自動(dòng)監(jiān)控 自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能 因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí) 間無人看管加工 6 降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 節(jié)省了勞動(dòng)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(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等 此外 機(jī)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(jì)算機(jī)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(dá)國(guó)家的機(jī)械工業(yè) 由于對(duì)其機(jī)械工業(yè)進(jìn)行信息化改造 使得他們的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng) 而我國(guó)在這方面比發(fā)達(dá)國(guó)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(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床開發(fā) 是符合我 國(guó)國(guó)情的有效的機(jī)床更新途徑 在當(dāng)前的市場(chǎng)需求多變 競(jìng)爭(zhēng)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(jià) 好質(zhì)量 快速去滿足市場(chǎng)需求的變化 而數(shù)控機(jī)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(jī)床的柔性化加工 符合產(chǎn)品 頻繁變化的要求 國(guó)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(shí)時(shí)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了超薄型 超小型化 在智 能化基礎(chǔ)上 綜合了計(jì)算機(jī) 多媒體 模糊控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù) 實(shí)現(xiàn)了 高速 高精 高效控制 加工過程中可自動(dòng)修正 調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各項(xiàng)參數(shù) 實(shí)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(jī)床聯(lián)網(wǎng) 實(shí)現(xiàn)了中央集中控制的群控加工 而我國(guó)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(jī)床運(yùn)動(dòng)控 制器 CAD CAM 和 CNC 之間沒有反饋控制環(huán)節(jié) 整個(gè)制造過程中 CNC 只是一個(gè)封閉式 的開環(huán)執(zhí)行機(jī)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(chǎng)環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機(jī)因素實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整 更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機(jī)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(duì)數(shù)控 技術(shù)實(shí)行變革勢(shì)在必行 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)向通用計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)變 能根據(jù)控制對(duì)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(jī)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(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的不斷成熟 對(duì)數(shù)控加工技 7 術(shù)提出了更高要求 當(dāng)今數(shù)控機(jī)床信息化正朝著以下幾個(gè)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(duì)式檢 測(cè)元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng) 并改善機(jī)床動(dòng) 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(shí)間為主要目的的復(fù)合加工 4 實(shí)時(shí)智能化 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的智能化發(fā)展將通過快速作出實(shí)現(xiàn)最佳目標(biāo) 的智能決策 對(duì)機(jī)床的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制 使機(jī)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(dòng)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(shí)通過自動(dòng)運(yùn)行診 斷 在線診斷 離線診斷等多種診斷程序 實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)硬件 軟件和各種外部設(shè) 備進(jìn)行故障診斷和報(bào)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(jìn)行操作 便于藍(lán)圖編程和快速編程 三維彩色立體動(dòng)態(tài)圖形顯示 圖形模擬 圖形動(dòng)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(shí)現(xiàn) 2 科學(xué)計(jì)算可視化 可視化技術(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合 實(shí)現(xiàn)無圖紙?jiān)O(shè)計(jì) 虛 擬樣機(jī)技術(shù)等 從而縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化 插補(bǔ)如直線插補(bǔ) 圓弧插補(bǔ)等 補(bǔ)償功能如間隙補(bǔ) 償 螺距和測(cè)量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償 帶平滑接近和退出刀具半徑補(bǔ)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(jí)語(yǔ)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(yùn)行速度 2 網(wǎng)絡(luò)化 機(jī)床聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)行遠(yuǎn)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(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理及動(dòng)態(tài)刀具補(bǔ)償 動(dòng)態(tài) 仿真等融于一體 從而實(shí)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(yán)密的制造 過程閉環(huán)控制體系 我國(guó)機(jī)床行業(yè)已擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和從低檔到高檔次的產(chǎn)品 但是 我國(guó)數(shù)控 機(jī)床領(lǐng)域與美國(guó) 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(gòu)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(zhǎng)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(gè)方面問題 1 普通車床改造的工藝流程 一般情況下 機(jī)床可以保留的部分包括主軸箱 床身 大 中溜板 尾座等 機(jī)床改造前 應(yīng)先將要改造的機(jī)床進(jìn)行大修處理 大修處理范圍包括 主軸箱傳動(dòng) 精度調(diào)整 主軸徑向跳動(dòng)及軸向竄動(dòng)精度修復(fù) 機(jī)床導(dǎo)軌平面度及直線度 卡盤裝 夾精度調(diào)整等 達(dá)到一定精度要求后再進(jìn)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(dòng)器及驅(qū)動(dòng)電機(jī) 換裝X Z軸滾珠絲杠及電動(dòng)刀架 增加必要的控 制電器 開關(guān) 冷卻液及潤(rùn)滑裝置改造等 2 數(shù)控裝置和驅(qū)動(dòng)方式的選擇 一般情況下 數(shù)控改造有2種方案 1 步進(jìn)電機(jī) 的開環(huán)系統(tǒng)方案 系統(tǒng)中沒有反饋電路 不帶 檢測(cè)裝置 控制指令單向傳遞 系統(tǒng)對(duì)工作臺(tái)的實(shí)際偏差不能修正 控制精度取決于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)精度和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度 其控制精度 不高 2 采用伺服電機(jī)的半閉環(huán)系統(tǒng) 檢測(cè)元件裝在電機(jī)軸或絲 杠軸的端部 一般是集成在伺服電機(jī)內(nèi) 系統(tǒng)的閉環(huán)控制環(huán)內(nèi)不包括 機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié) 反饋的僅是進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的部分誤差 一般是電機(jī)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(tái)的實(shí)際位移 由 于采用高分辨率的反饋檢測(cè)元件 主要是編碼器 且傳動(dòng)部位具有補(bǔ) 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(jì)性好 后者加工精度較高 采用哪種方案關(guān)鍵要看加 工對(duì)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(jìn)電機(jī)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(jī)以及滾珠絲杠精度匹配 這樣才能實(shí)現(xiàn)最佳的加工效果 目前 國(guó)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(dá)等采用步進(jìn)電 機(jī)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(hào)已經(jīng)可以達(dá)到微米級(jí)的控制精度 有著較高的性價(jià)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(huì) 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(jìn)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(dòng)式法蘭型螺母結(jié)構(gòu) 浮動(dòng)式法蘭 直筒型墊片預(yù)緊螺母結(jié)構(gòu) 浮動(dòng)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(jì)型數(shù)控改造方案最常用的是內(nèi)循環(huán)浮 動(dòng)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(dòng)精度可靠的優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)是能夠承受的額定靜 動(dòng)載荷較低 不適合大余量強(qiáng)力切削 滾珠絲杠的精度 一般可以分為7個(gè)等級(jí) 即1 2 3 4 5 7 10級(jí) 1級(jí)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(jī)的控制精度相匹配 一般情況下 傳動(dòng)精度主要有2個(gè)指標(biāo) 即行程偏差和行程變動(dòng)量 雖然數(shù)控系統(tǒng)可 以對(duì)滾珠絲杠傳動(dòng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償 但從應(yīng)用角度來講 絲杠的傳動(dòng)精度要求也不能 過低 對(duì)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(dòng)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(gè)工藝系統(tǒng)的改造精度 滾珠絲 杠在安裝時(shí)應(yīng)注意調(diào)整絲杠間隙 可用百分表測(cè)出具體的間隙值 在加工程序中予 以補(bǔ)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(dòng) 造成工件加工過程中軸向或徑向尺寸不穩(wěn)定 驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)電機(jī) 如果采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案 驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)可采用三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 10 動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)電機(jī) 目前國(guó)內(nèi)一些品牌驅(qū)動(dòng)器已采用五相混合式 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)一般為 高速單片機(jī)嵌入式 通過優(yōu)化電路 提高控制性能 驅(qū)動(dòng)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(hào)輸出 應(yīng)具備矢量細(xì)分技術(shù) 電機(jī)每轉(zhuǎn)細(xì)分應(yīng)不小于12 000脈沖 0 03 以確保驅(qū)動(dòng)精度的可靠性 并具備完善 的過載 過熱 過壓 短路等保護(hù)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(dá)到DC300 V 以確保電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)仍有高轉(zhuǎn)矩輸 出 具備掉電相位記憶功能 驅(qū)動(dòng)斷電后自動(dòng)記憶當(dāng)前相位 位置脈沖方式為單 雙脈沖控制 整 半步運(yùn)行模式 步進(jìn)電機(jī)要求低速運(yùn)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(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造時(shí)主軸調(diào)速一般有自動(dòng)和手動(dòng)2種方案可供選擇 自動(dòng)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(dá)到改變電機(jī)運(yùn)行頻率和速度的目的 采用變頻器變頻的最大優(yōu)點(diǎn)是可以采用 機(jī)床原來的主軸普通電機(jī) 方便的進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)控 因而改造成本較低 缺點(diǎn)是普通 電機(jī)通過變頻在較低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí) 運(yùn)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(jìn)行主軸變速時(shí)不能設(shè)定太低的轉(zhuǎn)速 如果零件加工確實(shí)需要 在低轉(zhuǎn)速情況下進(jìn)行 且加工精度有一定要求 則應(yīng)將主軸電機(jī)更換為專用變頻電 機(jī) 如果采用手工變速方案 則不需要對(duì)主軸傳動(dòng)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(jī)床暫時(shí)停止運(yùn)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(jìn) 反應(yīng)式步進(jìn)等多種驅(qū)動(dòng)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(bǔ)計(jì)算速度 液晶顯示屏幕可盡量大一些 以方便進(jìn)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(jiǎn)單 具有試刀 對(duì)刀功能 可實(shí)現(xiàn)任意 點(diǎn)起動(dòng) 任意點(diǎn)結(jié)束 具有刀補(bǔ) 換刀 主軸倍率 進(jìn)給倍率功能 若對(duì)切削有特 殊需要 還應(yīng)考慮增加D A無級(jí)變速功能 使之滿足恒線速切削要求 11 2 對(duì)性能的要求 控制精度應(yīng)小于0 01 mii1 加工程序存儲(chǔ)量應(yīng)不小于32 kB并具有斷電保護(hù)功 能 工作狀態(tài)應(yīng)包括文件管理 空運(yùn)行 手動(dòng) 自動(dòng) 回零 MDI及對(duì)刀等基本的功 能 編程方式包括增量編程和絕對(duì)編程 能實(shí)現(xiàn)各坐標(biāo)反向間隙補(bǔ)償及刀具補(bǔ)償 可實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ) 圓弧插補(bǔ) 螺紋插補(bǔ) 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(bǔ)功能 并可實(shí)現(xiàn) 換刀偏置 試切對(duì)刀 自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ?M功能完備 應(yīng)可實(shí)現(xiàn)4個(gè)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(duì)通信接口的要求 由于數(shù)控裝置程序存儲(chǔ)量有限 為方便地實(shí)現(xiàn)程序的輸入 輸出和外部存儲(chǔ) 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(duì)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(hào) 快進(jìn)速度 刀架反轉(zhuǎn)時(shí)間 主軸最高轉(zhuǎn)速 順序號(hào)增量 間隙補(bǔ)償 換刀偏置等 通過對(duì)上述參數(shù)的設(shè)置 可使編程及對(duì)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(hào) 容量的顯示 可以使程序段清晰并及時(shí) 提醒操作者對(duì)程序進(jìn)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(shí)現(xiàn)程序管理的簡(jiǎn)便以及對(duì)程序的校驗(yàn)和相似程 序的復(fù)制修改 6 對(duì)通信接口的要求 由于數(shù)控裝置程序存儲(chǔ)量有限 為方便地實(shí)現(xiàn)程序的輸入 輸出和外部存儲(chǔ) 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(duì)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(hào) 快進(jìn)速度 刀架反轉(zhuǎn)時(shí)間 主軸最高轉(zhuǎn)速 順序號(hào)增量 間隙補(bǔ)償 換刀偏置等 通過對(duì)上述參數(shù)的設(shè)置 可使編程及對(duì)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(rùn)滑系統(tǒng)改造 一般情況下 不需要對(duì)機(jī)床原來的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行特殊改動(dòng) 從經(jīng)濟(jì)性上考慮 12 可以采用手工打開卻液泵進(jìn)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(shí)現(xiàn)冷卻液的自動(dòng)開關(guān) 機(jī)床潤(rùn)滑系統(tǒng)改造 可以采用加裝潤(rùn)滑泵 通過PLC設(shè)定潤(rùn)滑時(shí)間的方法進(jìn)行改造 潤(rùn)滑時(shí)間可設(shè)定為工 作若干時(shí)間進(jìn)行潤(rùn)滑加油的定時(shí)潤(rùn)滑方式 這樣可極大地降低手工潤(rùn)滑的勞動(dòng)強(qiáng)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(zhǎng) 可以利用數(shù)控改造將現(xiàn)有的電器部分進(jìn)行 更新 如果設(shè)備沒有特殊的功能要求 電器改造比較簡(jiǎn)單 主要增加的電器元件包 括主軸 絲杠電機(jī)變壓器 X Z軸驅(qū)動(dòng)器 電動(dòng)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(jī)或變頻器 10 數(shù)控改造后機(jī)床應(yīng)達(dá)到的基本技術(shù)要求 無論是采用步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)系統(tǒng)還是采用伺服電機(jī)的半閉環(huán)系統(tǒng) 數(shù)控改造后 機(jī)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(dòng)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(jī)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(diǎn) 滿足各種通用加工的需要 本文對(duì) C6140 車床的經(jīng)濟(jì)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(jìn)行數(shù)控化改造的方案設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì) 2 具體地完成對(duì)開環(huán)控制系統(tǒng)機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì)計(jì)算 3 依據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算和改造實(shí)際繪制除了改造后車床的 X 軸 和縱向 軸 的設(shè)計(jì)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(jì)方案 機(jī)床改造中應(yīng)該注意的問題 1 在改造前 應(yīng)對(duì)要改造的機(jī)床進(jìn)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(shí)施改造后 機(jī)床的精度不至于 降低 2 改造時(shí) 應(yīng)盡量保留機(jī)床的原有功能 特別是手動(dòng)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(dòng)鏈終端一般為 T 型絲杠 它的傳動(dòng)精度低 運(yùn)動(dòng)阻 力大 所以應(yīng)把它改為滾動(dòng)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(jì)為 活動(dòng)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(duì)機(jī)床改造的方案 經(jīng)改造的主要有機(jī)械部分和數(shù)控部分 系統(tǒng)保留原有的手動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)控制 工作臺(tái) 實(shí)現(xiàn)其縱 橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 控制冷卻和潤(rùn)滑 通過鍵盤輸入加工程序 C6140 車床數(shù)控化改造后半自動(dòng)的 床身的上部?jī)?nèi)裝主軸傳動(dòng)系統(tǒng)為主軸變速系 統(tǒng) 這部分采用原機(jī)床的主軸傳動(dòng)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(jìn)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(qiáng)電系統(tǒng) 顯示器采用 LED 用以顯示輸入的程序 機(jī)床的實(shí)際位置和已存儲(chǔ)的各種信息 手動(dòng) 操作時(shí) 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(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后驅(qū)動(dòng) 14 可實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)和兩坐標(biāo)圓弧插補(bǔ) 采用 系列單片機(jī)組成微機(jī) 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(qiáng) 速度高 數(shù)控系統(tǒng) 還有刀具長(zhǎng)度偏移和半徑補(bǔ)償功能 自診斷功能 可進(jìn)行自動(dòng)加 減速 并具有備 用電池 停電是可做存儲(chǔ)已編程序的電極 采用 微機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算 處理 由 I O 接口輸出脈沖信號(hào) 經(jīng)光電隔離電路 功率放大再傳給步進(jìn)電機(jī) 驅(qū) 動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng) 從而實(shí)現(xiàn) X Y 兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 總體設(shè)計(jì)如下圖 1 1 所示 圖 1 1 步進(jìn)電機(jī) 工 作 臺(tái) 向 工 作 臺(tái) 向步進(jìn)電機(jī)信 號(hào) 分 配 及 放 大 電 路信 號(hào) 分 配 及放 大 電 路單 片 機(jī) 系統(tǒng)控制原理圖 1 2 實(shí)現(xiàn)的目標(biāo) 論文中主要討論在對(duì) C6140 車床進(jìn)行數(shù)控化改造 C6140 車床是車圓柱面和車 螺紋的通用機(jī)床 它沒有準(zhǔn)確可靠的定位裝置 車工件時(shí)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(jī)床 由于普通車床的柔性差 不能滿足市場(chǎng)對(duì)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(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)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(tái) 即采用以 MCS 51 單片機(jī)為控制系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)改造 使得改造后的機(jī) 床能加工除了車圓柱面和車螺紋等簡(jiǎn)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(chǎng)的需求 且價(jià)格較廉 15 2 傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 2 1 機(jī)械部分的數(shù)控化改造 數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn) 1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 操作方便 自動(dòng)化程度高 2 廣泛采用高效 無間隙傳動(dòng)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(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu) 零部件的要求高 主傳動(dòng)系統(tǒng)不變 進(jìn)給系統(tǒng)采用滾動(dòng)絲桿副螺母副代替原有絲杠副 以提高機(jī) 床運(yùn)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(dòng)軸承支承 導(dǎo)軌仍使用動(dòng)壓導(dǎo)軌 2 2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 2 2 1 改造要求 進(jìn)給伺服系統(tǒng)改造后性能的好壞將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能的好壞 也因此 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)提出了改造設(shè)計(jì)要求 1 提高傳動(dòng)部件的剛度 減小傳動(dòng)部件的慣量 2 減小傳動(dòng)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(dá)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(dòng)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(jī)床加工的特點(diǎn)是在低速時(shí)進(jìn)行重切削 因此 要求伺服系 統(tǒng)在低速時(shí)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出 7 調(diào)速范圍寬 指機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比 在數(shù)控 機(jī)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(jìn)給機(jī)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(jìn)給系統(tǒng)盡可能的要減少中 16 間傳動(dòng)環(huán)節(jié) 本車床的 X Y 兩軸進(jìn)給系統(tǒng)去掉了原來的進(jìn)給系統(tǒng)的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié) 直接采用了步進(jìn)電機(jī) 一級(jí)減速齒輪 滾珠絲桿的傳動(dòng)方案 拆除原來的絲桿 增 加少量的機(jī)械附件 就可安裝步進(jìn)電機(jī)及滾珠絲桿螺母副 帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng) 我們選 用步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為 110BF003 步進(jìn)電機(jī)步距角選用 扭距是 7 84Nm 電 75 0 b 機(jī)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(dòng)導(dǎo)軌 動(dòng) 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(rùn) 滑性和抗震性 該方法實(shí)現(xiàn)易 費(fèi)用低 2 3 縱向 向 進(jìn)給系統(tǒng)改造 2 3 1 改造要求及目標(biāo) 工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由一級(jí)消隙齒輪經(jīng)滾珠絲杠螺紋副 帶動(dòng)工 作臺(tái)移動(dòng) 其中在縱向 軸 進(jìn)給系統(tǒng)的改造布置中 滾珠絲杠 軸承支架固定 在工作臺(tái)上 隨工作臺(tái)移動(dòng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dòng) 實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)與床鞍之間的相對(duì)移動(dòng) 滾珠絲杠螺母副 它的特點(diǎn)是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動(dòng)元件 以減少摩擦 絲杠與螺母之間基本上為滾動(dòng)摩擦 滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)有 1 傳動(dòng)效率高 摩擦損失小 使用壽命長(zhǎng) 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(shí)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(yùn)動(dòng)件 故可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線 運(yùn)動(dòng) 也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 4 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 無爬行現(xiàn)象 傳動(dòng)精度高 附 C6140 車床的主要參數(shù)如下表 2 1 表 2 1 工作臺(tái)面寬 長(zhǎng) mm 320 1250 工作臺(tái)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(jìn)給速度 m min 縱向 2 3 機(jī)床進(jìn)給部件重量 N 橫向 4410 縱向 2156 2 3 2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)床進(jìn)給部件參數(shù)初選 橫向工作臺(tái)及夾具重量 3000 N 估計(jì)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(jìn)給速度 2m min 經(jīng)驗(yàn)值 maxV 2 3 3 切削力的計(jì)算 現(xiàn)在以工作壽命和實(shí)際加工過程中的最大切削力為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算 以確保 平常工作狀態(tài)下的工作安全和可靠 由 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 可知 切削功率 N KcN 公式中 N 電機(jī)功率 查機(jī)床說明書 N 4KW 主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率 一般為 0 6 0 7 取 0 65 K 進(jìn)給系統(tǒng)功 率系數(shù) 取 K 0 96 則 4 0 65 0 96 2 946KWc 又因?yàn)?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(jì)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(shí) 切削深度 ap 2mm 走刀量 f 0 3 以次參數(shù)作為下面計(jì)算的依據(jù) 從 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 中可知 在一般車削外圓時(shí) 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(jì)計(jì)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(qiáng)度計(jì)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(dòng)負(fù)載 Q PfWfhLi3 查表得運(yùn)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(dòng)負(fù)載荷 Q 的值 可以選擇滾珠絲杠的型號(hào) 參照汗江機(jī)床廠的產(chǎn)品 19 樣本選取 FC1B 系列 滾珠絲杠直徑為 型號(hào)為 FC1B32 5 E2 其額定動(dòng)32 6 載荷是 10689N 所以強(qiáng)度足夠 2 效率計(jì)算 根據(jù) 機(jī)械原理 公式 絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 為 tg 式中 摩擦角 10 螺旋升角 3 25 0 935166 t 3 剛度驗(yàn) 算 滾珠絲杠工作負(fù)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(jí)精度絲杠允許的螺距誤差 1m 長(zhǎng) 為 15 m m 故剛度足夠 4 穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于機(jī)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(jìn)行驗(yàn)算 2 3 5 有關(guān)齒輪計(jì)算 傳動(dòng)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(qiáng)度設(shè)計(jì) 設(shè)齒輪按 8 級(jí)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(bǔ)償安裝誤差 2 3 6 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 工作太折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量 JS 7 8 10 4D4L1 114 75N cm2 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略 21 因此總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J J S JZ2 i 2 JZ1 JS 145 19N cm2 2 3 7 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 M Mamx Mf M0 最大切削負(fù)載所需力矩 M Mat Mf M0 Mt 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M Mf M0 式中 M amx 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩 Mf 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 M0 由于絲杠預(yù)緊所引起 折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 Mat 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩 Mt 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)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(shí) 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(shí) Mf 12 23N cm M0 1 F2Li 20 22 當(dāng) 0 9 時(shí)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(dòng)所需力矩 M Mamax Mf M0 274 05N cm 切削時(shí)所需力矩 M M f M0 Mamax 105 18 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M Mf M0 16 85N cm 由以上分析計(jì)算可知 所需最大力矩 Mmax發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí) Mamax 27 405kgf cm 274 05N cm 2 4 橫向 Y 向 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的橫向進(jìn)給系統(tǒng)的橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比 較簡(jiǎn)單 一般是步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上 法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起 來 以保證其同軸度 提高傳動(dòng)精度 已知條件 工作臺(tái)重 估算 W 40kgf 300N 時(shí)間常數(shù) T 4mm 左旋 行程 mm 脈沖當(dāng)量 步矩角 step 快速進(jìn)給速度 v max 1m min 2 4 1 切削力計(jì)算 橫向進(jìn)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(shí) y 0 5FZ 0 5 76 38 38 19kgf 381 9N 23 2 4 2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 1 強(qiáng)度計(jì)算 對(duì)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(dòng)負(fù)載 fHP 213 55kgf 2135N3iL 根據(jù)最大負(fù)荷 的值 可選擇滾珠絲杠的型號(hào) 滾珠絲杠直徑為 mm 型號(hào) 為 c1B20 4 5 E2左 其額定動(dòng)負(fù)荷 所以強(qiáng)度足夠用 效率計(jì)算 根據(jù) 機(jī)械原理 公式 絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 為 tg 式中 摩擦角 10 螺旋升角 3 28 0 956 t 2 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠工作負(fù)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(jí)精度絲杠允許的螺距誤差 1m 長(zhǎng) 為 15 m m 故剛度足夠 3 穩(wěn)定性驗(yàn)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(qiáng) 故不在驗(yàn)算 2 4 3 齒輪及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 傳動(dòng)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(qiáng)度設(shè)計(jì) 設(shè)齒輪按 8 級(jí)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(bǔ)償安裝誤差 2 4 4 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 工作太折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量 JS 7 8 10 4D4L1 0 624kg cm2 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略 因此總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J J S JZ2 i 2 JZ1 JS 1 258kg cm2 2 4 5 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 M Mamx Mf M0 最大切削負(fù)載所需力矩 M Mat Mf M0 Mt 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M Mf M0 式中 M amx 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩 Mf 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 M0 由于絲杠預(yù)緊所引起 折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 Mat 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩 Mt 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)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(shí) 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(shí) Mf 0 028N cm M0 1 F2Li 20 當(dāng) 0 9 時(shí)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(dòng)所需力矩 M Mamax Mf M0 2 633N cm 切削時(shí)所需力矩 M M f M0 Mamax 24 04N cm 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M Mf M0 4 03N cm 由以上分析計(jì)算可知 所需最大力矩 Mmax發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí) Mamax 2 633kgf cm 26 33N cm 3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 3 1 步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則 合理選擇步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問題 需要根據(jù)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)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(dòng)比 mn 系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件的最小轉(zhuǎn)角 27 2 精度 步進(jìn)電機(jī)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(shí)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(shí)用 所選用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足 i 式中 m 步進(jìn)電機(jī)的積累誤差 s 系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差 3 轉(zhuǎn)矩 為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行 不失步 不越步 正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的 要求 必須考慮 啟動(dòng)力矩 一般啟動(dòng)力矩選取為 M 5 0 3rM 式中 M q 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩 ML0 電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載荷 2 在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi) 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力矩與 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 引起的慣性矩之和 4 啟動(dòng)頻率 由于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大 而降低 因此相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足 ft fop m 式中 f t 極限啟動(dòng)頻率 f op m 要求步進(jìn)電機(jī)最高啟動(dòng)頻率 3 2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 1 C6140 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 q cmNMr 125 684 0527 0 為滿足最小步距的要求 電動(dòng)機(jī)選用三想六拍工作方式 查表知 q Mjm 0 866 所以 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjm Mjm q 0 866 791 14N cm 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī) 能夠滿足使用要求 28 2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 q cmNML 825 64 0132 電動(dòng)機(jī)仍選用三相六拍工作方式 查表知 q im 0 866 所以 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 im為 im N cm01 768 256 0 qM 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高工作頻率 fmax 3333 3Hzpv 60max05 為了便于設(shè)計(jì)和采購(gòu) 仍選用 110BF003 型直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 能夠滿足使用要求 4 分析誤差來源 4 1 機(jī)械結(jié)構(gòu)原因 由于系統(tǒng)的縱 橫向都是開環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng) 沒有反饋檢測(cè)系統(tǒng) 無法消除機(jī) 械傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)的空程誤差 引起失步 它將直接影響到工作臺(tái)的進(jìn)給精度 引起齒輪傳動(dòng)誤差最主要的是側(cè)隙誤差 4 2 齒輪副誤差補(bǔ)償分析 對(duì)于由齒輪間隙引起的誤差可采取雙片薄齒齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法來消除 兩個(gè)嚙合 的直齒圓柱齒輪中的小齒輪采用寬齒輪 另一個(gè)由兩片可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的薄片齒輪組 成 裝配時(shí)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(cuò)齒 消除齒側(cè)間隙 反向時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)死區(qū) 錯(cuò)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(dòng)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(duì)位置 達(dá)到錯(cuò)齒的目的 4 3 滾珠絲杠副誤差補(bǔ)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(cuò)位而實(shí)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(guó)目前的數(shù)控機(jī)床發(fā)展?fàn)顩r及我國(guó)的國(guó)情 對(duì)原有的普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控 化改造是符合當(dāng)前狀況的 對(duì)普通 C6140 車床的數(shù)控化改造是為了擴(kuò)大產(chǎn)品加工范 圍和提高加工精度 效率 質(zhì)量 進(jìn)而滿足市場(chǎng)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(duì)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(dòng)的經(jīng)濟(jì) 型數(shù)控車床 由程序控制實(shí)現(xiàn)柔性化加工 從總體方案設(shè)計(jì)開始 確定了改造的目 標(biāo) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床 全文進(jìn)行了機(jī)械部分和數(shù)控部分的改造設(shè)計(jì) 最后進(jìn)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(diǎn) 1 為了不大量改變?cè)械臋C(jī)械結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)保留原有手動(dòng)功能手柄 且只 把原機(jī)床的普通絲杠改為滾動(dòng)絲杠 2 在橫向和縱向的改造設(shè)計(jì)計(jì)算中 突出步進(jìn)電機(jī) 減速箱和滾珠絲杠設(shè) 計(jì)計(jì)算的連貫性 計(jì)算合理的準(zhǔn)確性 3 在論文的最后進(jìn)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)的改造中 由于缺乏實(shí)踐的條件 對(duì)機(jī)床改造的結(jié)構(gòu)還欠 合理 只有理論與實(shí)踐相結(jié)合才能改造設(shè)計(jì)出理想的結(jié)構(gòu) 30 2 對(duì)論文的結(jié)構(gòu)安排還有待進(jìn)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(shí)的基礎(chǔ)及專業(yè)知識(shí) 楊老師的治學(xué)態(tài)度 執(zhí)著的科學(xué)精 神 對(duì)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(huì)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(gè)彼此充滿關(guān)愛團(tuán)隊(duì)中 各位好友的優(yōu)點(diǎn)就是我不斷進(jìn)步的源泉 借此機(jī) 會(huì) 我向諸位同窗好友表示感謝 好運(yùn)伴左右 大學(xué)的學(xué)習(xí)生活給了我面對(duì)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(jī)會(huì)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(xiàn) 1 楊可楨 程光蘊(yùn)主編 機(jī)械設(shè)計(jì)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(guó)機(jī)工業(yè)教育協(xié)會(huì)組編 數(shù)控技術(shù) 北京 機(jī)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(jī)械工業(yè)出版 2001 6 成大先主編 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 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(jī)床 武漢 華中科技大學(xué)出社 1992 8 于俊主編 滾動(dòng)軸承計(jì)算 北京 高等教育出版社 1993 7 9 張新義主編 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì) 北京 機(jī)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(jī)床 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2003 11 余英良主編 機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1996 12 張寶林主編 數(shù)控技術(shù) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1997 8 13 張俊生主編 金屬切削機(jī)床與數(shù)控機(jī)床 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2001 1 14 劉興國(guó) 姜莉莉 燕啟貴 劉昌祺 X52K 銑床數(shù)控改造及設(shè)計(jì) 西北工 業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) 1996 年 4 卷第 01 期 9 14 15 李培江 普通機(jī)床的數(shù)控改造研究 機(jī)械管理開發(fā) 2002 2 第 1 期 61 62 16 張俊生主編 金屬切削機(jī)床與數(shù)控機(jī)床 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2001 1