742 CA6140車床數(shù)控化改造

742 CA6140車床數(shù)控化改造,ca6140,車床,數(shù)控,改造 - 1 -目錄0 摘要…………………………………………-3-1 引言……………………………………….-6-第一章 設(shè)計方案的確定 ..........................................................................- 9 -一 總體設(shè)計方案的確定 ......................................................................- 9 -二 機(jī)械部分的改造設(shè)計與計算 ........................................................- 10 -（一）縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計選型 ....................................................- 10 -(二) 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 ..................................................- 15 -第二章 步進(jìn)電動機(jī)的選擇 ........................................................................- 19 -一步進(jìn)電動機(jī)選用原則 ..........................................................................- 19 -二步進(jìn)電機(jī)的選型 ..................................................................................- 20 -（一）C6140 縱向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定 .................................- 20 -（二）C6140 橫向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定 .................................- 20 -（三）110BF003 型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) ..........................- 20 -（四）110BF004 型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) ..........................- 21 -第三章經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)選型 ........................................................................- 21 -第四章 電動刀架的選型 ..........................................................................- 22 -第五章 編制零件工序及數(shù)控程序?qū)嵗?....................................................- 23 -一機(jī)床改造參數(shù)的選擇 ..........................................................................- 23 -（一）車床縱向運動由 Z 向步進(jìn)電動機(jī)控制 ................................- 23 -- 2 -（二）車床橫向運動由 X 向步時電動機(jī)控制 ...............................- 23 -二程序設(shè)計 ..............................................................................................- 23 -（一）數(shù)控機(jī)床參數(shù)及約定 ............................................................- 23 -(二) 編程參數(shù)說明 ............................................................................- 23 -參考文獻(xiàn) ........................................................................................................- 27 -體會 ................................................................................................................- 28 -- 3 -摘要1947 年，Parsons 公司的 John Parsons 著手進(jìn)行一項實驗，他想用空間數(shù)據(jù)控制機(jī)床加工飛機(jī)零件。1949 年，Parsons 公司與美國空軍簽定了制造第一臺數(shù)控機(jī)床的合同。1951 年， 美國麻省理工學(xué)院承擔(dān)了這一項目。1952 年，麻省理工學(xué)院（MIT）使用實驗室制造的控制器和辛辛那提立式主軸展示三軸聯(lián)動獲得成功，這標(biāo)志著數(shù)控時代的到來。到了 1955年，幾經(jīng)改進(jìn)之后，數(shù)空技術(shù)開始應(yīng)用于生產(chǎn)。早期的 NC 機(jī)床能運行穿孔卡和穿孔帶，兩者中以穿孔帶更為通用。但是，鑒于更換、編輯紙帶費時費力，后來便采用計算機(jī)作為編程的輔助工具。計算機(jī)在數(shù)控中的應(yīng)用有兩種形式：一是計算機(jī)輔助編程語言，二是實施直接數(shù)字控制（DNC） ，有了計算機(jī)輔助編程語言，程序員可用一套通用“混雜英語 ”命令編寫 NC 程序，然后由計算機(jī)將其釋譯為機(jī)器碼并制成穿孔帶。直接數(shù)字控制是指用一臺計算機(jī)對一臺或多臺數(shù)控機(jī)床實施部分或整體控制。雖然有些公司運用 DNC 已獲得成功，但是，擴(kuò)大計算機(jī)容量、購買軟件、協(xié)調(diào) DNC 系統(tǒng)等花費使這種系統(tǒng)并不適合所有公司，而只適用于一些大公司。最近，一種叫做分布式數(shù)字控制的新型 DNC 系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來，它用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來協(xié)調(diào)多臺 DNC 機(jī)床的運行。這種方式最終有可能用來協(xié)調(diào)整個工廠的運轉(zhuǎn)。這種分布式數(shù)字控制方法解決了協(xié)調(diào)直接數(shù)字控制系統(tǒng)時遇到的一些難題。在此基礎(chǔ)上，人們還開發(fā)出另一種分布式數(shù)字控制系統(tǒng)，其整個 NC 程序可從主機(jī)直接傳輸?shù)綑C(jī)床控制器。另外，該系統(tǒng)也可在必要時將程序從主機(jī)傳輸?shù)杰囬g的個人電腦（PC） ，然后再傳輸?shù)綑C(jī)床控制器工業(yè)機(jī)器人是在生產(chǎn)環(huán)境中用以提高生產(chǎn)效率的工具,它能做常規(guī)乏味的裝配線工作,或能做那些對于工人來說是危險的工作,例如,第一代工業(yè)機(jī)器人是用來在核電站中更換核燃料棒,如果人去做這項工作,將會遭受有害放射線的輻射。工業(yè)機(jī)器人亦能工作在裝配線上將小元件裝配到一起，如將電子元件安放在電路印制板，這樣，工人就能從這項乏味的常規(guī)工作中解放出來。機(jī)器人也能按程序要求用來拆除炸彈，輔助殘疾人，在社會的很多應(yīng)用場合下履行職能。機(jī)器人可以認(rèn)為是將手臂末端的工具、傳感器和（或）手爪移到程序- 4 -指定位置的一種機(jī)器。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)位置后，它將執(zhí)行某種任務(wù)。除了編程以及系統(tǒng)的開停之外，一般來說這些工作可以在無人干預(yù)下完成。關(guān)鍵字：加工精度，設(shè)計方案，分配，參數(shù)ABSTRACTIn 1947 , John Parsons of the Parsons Corporation, began experimenting with the idea of using three-axis curvature data to control machine tool motion for the production of aircraft components . In 1949 , Parsons was awarded a U. S. Air Force contract to build what was to become the first numerical control machine . In 1951 , the project was assumed by Massachusetts Institute of Technology . In 1952 , numerical control arrived when MIT demonstrated that simultaneous three-axis movements were possible using a laboratory-built controller and a Cincinnati Hydrotel vertical spindle . By 1955 , after further refinements , numerical control became available to industry . Early NC machines ran off punched cards and tape , with tape becoming the more common medium . Due to time and effort required to change or edit tape , computers were later introduced as aids in programming . Computer involvement came in two forms : computer aided programming languages and direct numerical control (DNC) . Computer aided programming language allowed a part programmer to develop an NC program using a set of universal “pidgin English” commands , which the computer then translated into machine codes and punched into the tape . Direct numerical control involved using a computer as a partial or complete controller of one or more numerical control machines . Although some companies have been reasonably successful at implementing DNC , the expense of computer capability and software and problems associated with coordinating a DNC system renders such systems economically unfeasible for all but the largest companies .- 5 -Recently a new tape of DNC system called distributive numerical control has been developed . It employs a network of computers to coordinate the operation of a number of CNC machines . Ultimately , it may be possible to coordinate an entire factory in this manner . Distributive numerical control solves some of the problems that exist in coordinating a direct numerical control system. There is another type of distributive numerical control that is a spin-off of the system previously explained . In this system , the NC program is transferred in its entirety from a host computer directly to the machine’s controller . Altemately , the program can be transferred from a host computer to a personal computer(PC) on the shop floor where it will be stored until it is needed . The program will then be transferred from the PC to the machine controller .The industrial robot is a tool that is used in the manufacturing environment to increase productivity. It can be used to do routine and tedious assembly line jobs, or it can perform jobs that might be hazardous to the human worker. For example, one of the first industrial robots was used to replace the nuclear fuel rods in nuclear power plants. A human doing this job might be exposed to harmful amounts of radiation. The industrial robot can also operate on the assembly line, putting together small components, such as placing electronic components on a printed circuit board. Thus, the human worker can be relieved of the routine operation of this tedious task. Robots can also be programmed to defuse bombs, to serve the handicapped, and to perform functions in numerous applications in our society.The robot can be thought of as a machine that will move an end-of-arm tool, sensor, and/or gripper to a preprogrammed location. When the robot arrives at this location, it will perform some sort of task. This task could be welding, sealing, machine loading, machine unloading, or a host of assembly jobs. Generally, this work can be accomplished without the involvement of a human being, except for programming and for turning the system on and off.Key Words: Accuracy of - 6 -Process，Project Design，Allotment，Parameter0 引言回顧即將過去的 20 世紀(jì)，人類取得的每一項重大科技成果，無不與制造技術(shù)，尤其與超精密加工技術(shù)密切相關(guān)。在某種意義上，超精密加工擔(dān)負(fù)著支持最新科學(xué)發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的重要使命。超精密加工技術(shù)在航天運載工具、武器研制、衛(wèi)星研制中有著極其重要的作用。有人對海灣戰(zhàn)爭中美國及盟國武器系統(tǒng)與超精密加工技術(shù)的關(guān)系做了研究，發(fā)現(xiàn)其中在間諜衛(wèi)星、超視距空對空攻擊能力、精確制導(dǎo)的對地攻擊能力、夜戰(zhàn)能力和電子對抗技術(shù)方面，與超精密加工技術(shù)有密切的關(guān)系?？梢哉f，沒有高水平的超精密加工技術(shù)，就不會有真正強(qiáng)大的國防。超精密車床要求其數(shù)控系統(tǒng)具有高編程分辨率（1nm）和快速插補(bǔ)功能（插補(bǔ)周期 0.1ms） 。基于 PC 機(jī)和數(shù)字信號處理芯片（DSP）的主從式硬件結(jié)構(gòu)是超精密數(shù)控的潮流，如美國的 NAN OPATH 和 PRECITECH'S ULTRAPATH TM 都采用了這一結(jié)構(gòu)。數(shù)控系統(tǒng)的硬件運動控制模塊（PM AC）開發(fā)應(yīng)用越來越廣泛，使此類數(shù)控系統(tǒng)的可靠性和可重構(gòu)性得到提高。我國國防科技大學(xué)研制開發(fā)的 YH－1 型數(shù)控系統(tǒng)采用 ASW－824 工業(yè)一體化 PC 工作站為主機(jī)，用 ADSP2181 信號處理器模塊構(gòu)成高速下位伺服控制器。模塊化、構(gòu)件化是超精密車床進(jìn)入市場的重要技術(shù)手段，如美國- 7 -ANORAD 公司生產(chǎn)各種主軸、導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺，用戶可根據(jù)各自的需要組成一維、兩維和多維超精密運動控制平臺和車床。研制超精密車床時，布局就顯得非常關(guān)鍵。超精密車床往往與傳統(tǒng)車床在結(jié)構(gòu)布局上有很大差別，流行的布局方式是“T”型布局，這種布局使車床整體剛度較高，控制也相對容易，如 Pneumo 公司生產(chǎn)的大部分超精密車床都采用這一布局。模塊化使車床布局更加靈活多變，如日本超硅晶體研究株式會社研制的超精密車床，用于車削超大硅晶片,采用三角菱形五面體結(jié)構(gòu)，用于提高剛度；德國蔡司公司研制了 4 軸精密車床 AS100，用于加工自由形式表面，該車床除了X、Z 和 C 軸外，附加了 A 軸，用于加工自由表面時控制砂輪的車削點。此外，一些超精密加工車床是針對特殊零件而設(shè)計的，如大型高精度天文望遠(yuǎn)鏡采用應(yīng)力變形盤加工，一些非球面鏡的研拋加工采用計算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)（CCOS）加工，這些車床都具有和通用車床完全不同的結(jié)構(gòu)。由此可見，超精密車床的結(jié)構(gòu)有其鮮明的個性，需要特殊的設(shè)計考慮和設(shè)計手段。為保證超精密車床有足夠的定位精度和跟蹤精度，數(shù)控系統(tǒng)必須采用全閉環(huán)結(jié)構(gòu)，高精度運動檢測是進(jìn)行全閉環(huán)控制的必要條件。雙頻激光干涉儀具有高分辨率（如 ZYGO AX10MTM 2/20 分辨率為 1.25nm）與高穩(wěn)定性，測量范圍大，適合作車床運動線位移傳感器使用。但是雙頻激光干涉儀對環(huán)境要求過于苛刻，使用和調(diào)整非常困難，使用不當(dāng)會大大降低精度。根據(jù)我們的使用經(jīng)驗，德國 Heidenhain 公司生產(chǎn)的光柵尺更適合超精密車床運動檢測，如該公司 LI P401,材料長度 220mm，分辨率為 2nm，采用Zerodur 材料制成幾乎達(dá)到零膨脹系數(shù)（0.1ppm/k） ，動靜尺間隙為- 8 -0.6±0.1mm，對環(huán)境要求低，安裝和使用方便，如 Nanoform2500 和 Opt imum2400 超精密車床都使用了 Heidenhain 光柵尺。在數(shù)控軟件方面，開放性是一個發(fā)展方向。國外有關(guān)開放性數(shù)控系統(tǒng)的研究有歐共體的 OS ACA、美國的 OMAC 和日本的 OSEC。我國國防科技大學(xué)在此基礎(chǔ)上提出了構(gòu)件化多自由度運動控制軟件，可根據(jù)車床成形系統(tǒng)的布局任意組裝軟件，符合車床模塊化發(fā)展的方向。1.序言課題簡介：本課題是圍繞將普通機(jī)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床展開設(shè)計的，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床是指價格低廉、操作使用方便，適合我國國情的裝有簡易數(shù)控系統(tǒng)的高效自動化機(jī)床。中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，常希望對原有舊機(jī)床進(jìn)行改造，實現(xiàn)數(shù)控化、自動化。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)就是結(jié)合現(xiàn)實的的生產(chǎn)實際，結(jié)合我國國情，在滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡可能降低價格。價格便宜、性能價格比適中是其最主要的特點，特別適合在設(shè)備中占有較大比重的普通車床改造，適合在生產(chǎn)第一線大面積推廣。企業(yè)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控型系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行改造后，將提高產(chǎn)品加工精度和批量生產(chǎn)的能力，同時又能保持“萬能加工”和“專用高效”這兩種屬性，提高設(shè)備自身對產(chǎn)品更新?lián)Q代的應(yīng)變能力，增強(qiáng)企業(yè)的競爭能力。利用微機(jī)改造現(xiàn)有的普遍車床，主要應(yīng)該解決的問題是如何將機(jī)械傳動的進(jìn)給和手工控制的刀架轉(zhuǎn)位，進(jìn)給改造成由計算機(jī)控制的刀架自動轉(zhuǎn)位以及自動進(jìn)給加工車床，即經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的改造是非常有必要的。數(shù)控機(jī)床可以很好地解決形狀- 9 -復(fù)雜、精密、小批量及多變零件的加工問題。能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，但是數(shù)控機(jī)床的運用也受到其他條件的限制。如：數(shù)控機(jī)床價格昂貴，一次性投資巨大等，因此，普通車床的數(shù)控改造，大有可為。它適合我國的經(jīng)濟(jì)水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一?，F(xiàn)我選用 CA6140 普通車床為例進(jìn)行數(shù)控改造。第一章 設(shè)計方案的確定C6140 型普通車床是一種加工效率高，操作性能好，并且社會擁有量較大的普通型車床。經(jīng)過大量實踐證明，將其改造為數(shù)控機(jī)床，無論是經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)都是確實可行了。一般說來，如果原有車床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的數(shù)控車床，同時具有數(shù)控控制和原機(jī)床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。本設(shè)計主要是對 C6140 普通型車床進(jìn)行數(shù)控改造，用微機(jī)對縱、橫進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)可采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制，開環(huán)控制雖然有不穩(wěn)定、振動等缺點，但其成本較低，經(jīng)濟(jì)性較好，車床本身所進(jìn)行的加工尺寸是粗、半精加工。驅(qū)動原件采用步進(jìn)電動機(jī)。系統(tǒng)傳動主要有：滑動絲杠螺母傳動和滾珠絲杠螺母傳動兩種，經(jīng)比較分析：前者傳動效率及精度較低，后者精度和效率高，但成本高，考慮對車床的性能要求，故采用滾珠絲杠螺母傳動。刀架性能要求是準(zhǔn)確快速的換刀，因此采用自動轉(zhuǎn)位刀架。一 總體設(shè)計方案的確定由于是對車床進(jìn)行數(shù)控改造，所以在考慮具體方案時，基本原則是在滿足使用前提下，對同床的改動盡可能少，以降低成本。根據(jù)這一原則，決定數(shù)控系統(tǒng)采用開環(huán)控制；傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母傳動；驅(qū)動元件采用步進(jìn)電動機(jī)；數(shù)控系統(tǒng)采用 JWK型系統(tǒng)；刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架。這樣車床既保留原有功能，又減少了改造數(shù)量。二 機(jī)械部分的改造設(shè)計與計算將普通車床改造成數(shù)控機(jī)床，除了增加控制系統(tǒng)外，機(jī)械部分也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的改造，其中包括：縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計選型，以及自動轉(zhuǎn)位刀架的選型。- 10 -（一）縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計選型1、經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床的改造，采用步進(jìn)電動驅(qū)動縱向進(jìn)給，有兩種方案：一種是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠螺母固定在溜板箱上；第二種是縱絲杠固定、電機(jī)安裝在溜板箱上，驅(qū)動螺母傳動。對于車床的改造而言，采用第一種方案顯然簡單易行。所以步進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任意一端。從改裝方便，實用等方面考慮，所以將步進(jìn)電機(jī)放在絲杠的左端。2、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算，已知條件：工作臺重量：W=80kgf=800N時間常量： T=25ms行 程： s=640mm步 驅(qū) 角： 2=0.75 o/step快速進(jìn)給速度：Vmax=2m/ms脈沖當(dāng)量： 8p=0.01mm/8tep（1）切削力的計算由《機(jī)床設(shè)計手冊》得公式 No=Ndη （公式一）其中 N O — 為傳動件的額定功率Nd—主電機(jī)的額定功率，見使用說明書得：Nd=4.5 kwη — 從電機(jī)到所計算的傳動軸的傳動效率（不含軸承的效率）從電機(jī)到傳動軸經(jīng)過皮帶輪和齒輪兩種傳動件傳動，所以η=n 1×n2 由《機(jī)床設(shè)計手冊》得 n1 =0.96 n2=0.99所以：η=0.96×0.99=0.9504 取 η=0.95η 即 N=4×0.95=3.8（kw）又因為主傳動系統(tǒng)效率一般為 0.6～0.7 之間，所以取 0.65所以 NC（進(jìn)給效率）=3.8×0.65=2.47（kw）由《機(jī)械加工工藝手冊》得 Pm= ×9.8 （公式二）3106?VsFZ≈ 2z式中 Vs ——切削速度，設(shè)當(dāng)其為中等轉(zhuǎn)速，工件直徑為中等時，如 D=40mm 時，取 Vs=100m/min主切削力- 11 -FZ = =151.164（Rgf）=1511.64N6120.47?由《機(jī)床設(shè)計手冊》得主切削力FZ=CFzapxfx×fyfz×kfz(經(jīng)驗公式) CFza pxfx fyfz kfz (公式三)對于一般切削情況，切削力中的指數(shù) xfx≈1?FZ=0.75 Kfz≈0CFZ=188kg/㎜ 2=1880MpaF2 的計算結(jié)果如下：- 12 -ap(㎜) 2 2 2 3 3 3f(㎜) 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4Fz(N) 105 1524 1891 1681 2287 2837為便于計算,所以取 Fz=1511.7N,以切削深度 ap=2㎜走刀量 f=0.3㎜為以下計算以此為依據(jù)。由《機(jī)械床設(shè)計手冊》得，在一般外圓車削時，F(xiàn)x≈（0.1～0.6）FZFy≈(0.15～0.7)Fz取 Fx=0.5 Fz Fy=0.6Fz∴Fx=0.5×1511.7=755.9(N)Fy=0.6 Fz=0.6×1511.7=907.0(N)（2）滾珠絲杠的設(shè)計計算由《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床總設(shè)計》 ，綜合車床導(dǎo)軌絲杠的軸向力得P=RGx+f′（Fz+w） (公式四)其中 R=1.15 , f′=0.15～0.18 取 f′=0.16P=1.15×755.9+0.16(1511.7+800)=1239.2(N)強(qiáng)度計算○ 1壽命值 Li= （公式五）60nTini= （公式六）oDvf?由《機(jī)床設(shè)計手冊》得 Ti=15000h,原機(jī)床絲杠螺距為 60㎜， D=80㎜ni= =19.9≈20(r/min)14.3680?Li= =1852最大動負(fù)Q= PfwfH (公式七)3Li其中 運載系數(shù) fw=1.2硬度系數(shù) Fh=1Q= ×1.2×1239.2×1318=3897.1(N)根據(jù)最大動力負(fù)載荷 Q 的值，查表選擇滾珠絲杠的型號為 W5010—3.5×1，查表得數(shù)控車床的縱向精度為 B 級，左旋即型號為 W5010—3.5×1/B—900×1000其額定載荷是 3970N效率計算○ 2- 13 -根據(jù)《機(jī)械基礎(chǔ)》得，絲杠螺母副傳動效率為η= (公式八))4(?rtg由《機(jī)床設(shè)計手冊》得 4 一般為 8′～12′取 4=10′即：摩擦角 4=10′，螺旋升角（中徑處）r=3 O25′則 η= =0.953)01523(??tg剛度驗算○ 3滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程變化量△L1=± (公式九)EFLo其中 L O=10㎜=1㎝E=20.6×106N/㎝ 2滾珠絲杠橫截面積F=( )π d 為滾珠絲杠外徑2a=（ ） 2×3.145.48=18.47(㎝ 2)則△L1= =3.256×10-6≈3.27um47.1806.39??查《機(jī)床設(shè)計手冊》 ，B 級精度絲杠允許的螺距誤差（900㎜螺絲長度）為 25nm/m ，因此，絲杠的剛度符合要求。即剛度足夠。④穩(wěn)定性驗算由于原機(jī)床杠徑為 Φ30㎜，現(xiàn)選用的滾珠絲杠為 Φ50㎜，支承方式不變。所以，穩(wěn)定性不成問題，無需驗算。齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計算○ 5此齒輪為普通減速器的齒輪且減速器為一般機(jī)器，沒有特殊要求，從降低成本，減小結(jié)構(gòu)尺寸和易于取材的原則出發(fā)，決定小齒輪選用 45 鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬定為217～255HBS。大齒輪選用 45 正火，齒面硬度 169～217 HBS。傳動比 i= 360892OL其中 2 表示步驅(qū)角，89 表示脈沖當(dāng)量i= =2.11.75?取齒數(shù) z1=30, Z2=63模數(shù) m=2mm, 嚙合角為 200，小齒輪齒寬為 25㎜，大齒輪齒寬 20㎜。d1=mz1=2×30=30- 14 -d2=mz2=2×63=126da1=m(z1+2)=2×(30+2)=64a= = =9321d?160齒輪傳動精度計算齒輪圓周速度 VV= = =4.2(m/s)4106?dn?4061.3?根據(jù)齒輪圓周速度和對噪音的要求確定齒輪精度等級側(cè)隙分別為：小齒輪：8GJ大齒輪：8FL傳動慣量的選擇○ 6工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量J1=( )2W8910兀 ?=( )2×8075.43= 0.467kg. ㎝ 2絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js=7.8×10-4D4L1=7.8×-4×(50㎜) 4×14.9=7.26(kg. ㎝ 2)齒輪的轉(zhuǎn)動慣量JZ1=7.8×10-4×(60㎜) 4×2=2.02(kg. ㎝ 2)JZ1=7.8×10-4×(126㎜) 4×2=39.32(kg. ㎝ 2)由于電機(jī)的傳動慣量很小，一般可忽略不記所以總的傳動慣量為J 總= ×(Js+Jz2)+Jz1+J121i= ×(7.26+39.32)+2.022+0.467??.=14.50(kg. ㎝ 2)=145.0(N. ㎝ 2)所需轉(zhuǎn)動力矩的計算○ 7快速空載啟動時所需力矩M=Mmamx+Mf+MO （公式十二）最大切削負(fù)載時所需力矩M=Mat+Mf+MO+Mt （公式十三）快速進(jìn)給時所需力矩- 15 -M=Mf+MO （公式十四）式中 Mmamx —— 空載啟動時折算到電機(jī)軸上的加速度力矩。Mf —— 折算到電機(jī)軸上的磨擦力矩。MO —— 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= ×10-4（N.m）其中 T=0.025 (公式十五)TJn?6.9當(dāng) n=nmax 時，Mamax=Manmax= = = =400(r/min)loiVmax102?Mamat= ×10-4=24.17(kgf.cm)5.694?=241.7(N.cm)nt= lofiDV?10= =25.08(r/min)84.31.2?Mat= ×10-4=1.51(kgf.cm)05691=15.1(N.cm)Mf= =iFoL??2iWf?當(dāng) ?=0.8，f′=0.16 時，Mf= =1.213(kg.cm)1.2804.3216?m=12.13(kg.cm)MO= (1-?o2)iPL??6當(dāng) ?=0.9 時，預(yù)加荷 PO= Fx31MO= =6)(2??FxLo1.2904.6)(57??m=0.4033≈4.03(N.cm)Mt= =ifx??2.1.39?=6.368(kg.cm)=63.68(N.m)所以，快速空載啟動所需力矩- 16 -M 快空= Mamax+Mf+M O＝ 241.7+1.213+4.03=257.86(N.cm)切削時所需力矩M 切= Mat+ Mf+ M O +Mt=15.1+12.13+4.03+63.69=94.95(N.cm)快速進(jìn)給時所需力矩M 快速= Mf+M O=12.13+4.03=16.16(N.cm)由以上計算可得所需最大力矩 Mamax 發(fā)生快速啟動時Mamax= M 快速=257.86(N.cm)(二) 橫向進(jìn)給 系統(tǒng)的設(shè)計與計算△1△ 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床改造的橫向進(jìn)給系統(tǒng)一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠絲杠,使刀架橫向運動.步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上,用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來,以保證其同軸度,提高傳動精度。（2） 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算，已知條件工作臺重量：W=30kgf=300N時間常量：T=25ms行 程：s=190mm步 驅(qū) 角：2=0.75 度/step脈沖當(dāng)量：8p=0.005mm/step快速進(jìn)給速度：Vmax=2m/min切削力的計算○ 1橫向進(jìn)給量約為縱向的 ～ ,取 則橫向切削約為 縱向切削力21321∴Fz= F 縱 z= ×1511.642=755.82(N)在切斷工件時 Fy=0.6 F 縱 z=0.6×755.82=453.492(N)(3) 滾珠絲杠的計算強(qiáng)度的計算○ 1對于燕尾型導(dǎo)軌P=Kfy+f′(Fz+W)其中，K=1.4，f′=0.2P=1.4×453.492+0.2×(755.82+300)=846.05(N)壽命值 Li= = =13.5610nTi6150?- 17 -最大動負(fù)載 Q= fwfr1p3Li其中 fw（運載系數(shù)）=1.2fh(硬定系數(shù))=1Q= ×1.2×1×846.0535.1=2417.4(N)根據(jù)最大動負(fù)載荷的值,可選擇滾珠絲杠的型號,其公稱直徑為 35㎜,型號為 W3508-3.5×1/B 左 190×290，額定動負(fù)載荷為 2520W，所以強(qiáng)度夠用。效率計算○ 2?= )4(?rtgr（螺紋升角）=3 O38′ 4（磨擦角）=10′?= =0.956)0183(?ot剛度驗算○ 3滾珠絲杠受工作負(fù)載，P 引起的導(dǎo)程變化量△L1= =EFpLO?F?610.28.54F=（ ） 2 其中為滾珠絲杠的外徑d?=（ ） 2 ×3.1434=9.0746△ L1 = ± =±3.62×10-6(㎝)0746.916.85?因為滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化化量△L2 很小，可忽略不計，即△L=△L1，即導(dǎo)程變化總誤差為△= △L= ×3.62×10. -6Lo108.=4.52(min/m)查表知 B 級精度絲杠允許的螺矩誤差（在 300㎜之內(nèi)）為 15um/n ，所以剛度足夠。穩(wěn)定性驗算○ 4由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相等，而支承方式由原來的一端固定，一端懸空變?yōu)橐欢艘欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不再驗算。⑤、齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計算減速器為一般機(jī)器，沒有什么特殊要求，從降低成本，減小結(jié)構(gòu)、尺寸和易于取材等原則出發(fā)，決定小齒輪選用 45 鋼、調(diào)質(zhì)，齒面硬度為 217～255HBS；大齒輪選用- 18 -45 鋼正火、齒面硬度為 169～217HBS傳動比 i = 0368lP?其中 8 表示步驅(qū)角；8P 表示脈沖當(dāng)量i= .75.3??所以，取 Z1=30，Z2=99M=2mm，嚙合角為 20°小齒輪齒寬為 25mm；大齒輪齒寬為 20mm。d1=mZ1=2×30=60d2=mZ2=2×99=198da1=m(Z1+2)=2×(30+2)=64da2=m(Z2+2)=2×(99+2)=202a= 126478129d??齒輪傳動精度計算齒輪圓周速度 VV= 1443.0.(/)061nms???根據(jù)圓周速度和對噪音的要求確定齒輪精度等級及側(cè)隙分別為：小齒輪：8GJ大齒輪：8FL⑥、傳動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的傳動慣量J1=280180.5304347PW????????????????=0.04378(Kg.cm2)絲杠轉(zhuǎn)動慣量：JS=7.8×10-4×D4×L1=7.8×10-4×3.54×13.3=1.556(㎏.㎝ 2)齒輪的傳動的慣量JZ1=7.8×10-4×D4×M=7.8×10-4×64×2=2.02(㎏.㎝ 2)JZ2=7.8×10-4×D4×M=7.8×10-4×（198㎜） 2×2=239.76(㎏.㎝ 2)由于電機(jī)傳動慣量很小，可以忽略不計，因此總的轉(zhuǎn)動慣量J= (JS+JZ2）+JZ 1+J11i= (1.556+239.76）+2.022+0.04378 3.=24.22(㎏.㎝ 2)⑦所需轉(zhuǎn)動力矩的計算- 19 -nmax= 0max.13.412.5(/min)8VirL??Mamax= 44...09696JT????=4.16(N.m)nt 01103.2.486VfiDL???=43.79(r/min)Mat= 44..79109.625JhltT????=0.4419(N.m)Mf= 0012FLfWii???其中，f’=0.2 η=0.8 時Mf= .3.8.295(.)140kgfcm??=0.029（N.m）M0=220.(10.)()6FLi??????=0.1386≈0.0139（N.m）Mt= 045.3821.i??=2.19(kgf.cm)≈0.219（N.m）所以，快速空載啟動時所需轉(zhuǎn)矩M=Mamax+Mf=Mo=4.16+0.029+0.0139=4.2079(N.m)切削的所需力矩M 切=Mat+Mf+Mo+Mt=0.4419+0.029+0.0139+0.219=0.6938(N.m)快速啟動時所需力矩M 快進(jìn)= Mf+Mo=0.029+0.0139=0.0429(N.m)即最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動時 即 Mamax=4.2079(N.m)- 20 -第二章 步進(jìn)電動機(jī)的選擇一步進(jìn)電動機(jī)選用原則合理選用步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問題，需根據(jù)電機(jī)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。（一）α，步距角應(yīng)滿足：α= mina式中 i——傳動比amin——系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動部件的最小轉(zhuǎn)角（二） 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(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足。△Qm≤i[△Qs]式中△Qm——步進(jìn)電機(jī)的積累誤差。[△Qs]——系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動部分允許的角度誤差。（三）轉(zhuǎn)距為了使步進(jìn)電機(jī)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；①啟動力矩，一般啟動力矩選取為Mq≥ 0.3~5lM式中 Mq——電機(jī)啟動力矩ML0——電機(jī)靜負(fù)載力矩②在要求在運行頻率范圍內(nèi)，電機(jī)運行力矩應(yīng)大于電動機(jī)的靜載力矩與電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量（包含負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量）引起的慣性矩之和。(四) 啟動頻率由于步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率隨負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)滿足：fi≥[fop]m其中 fi——極限啟動頻率[fop]m——要求步進(jìn)電機(jī)最高啟動頻率- 21 -二步進(jìn)電機(jī)的選型（一）C6140 縱向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定Mq= 取參數(shù)為 0.40.3~5lM= 27864=644.6（N.m）為了滿足最小步距要求，電動機(jī)選用三相六拍工作方式。查手冊得知：Mq/Mjm=0.866，所以步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjm 為fmax= = =3333.3（HZ）max6089V2.1?綜合考慮，查表選用 110BF003 型直流步進(jìn)電機(jī)能滿足使用要求。（二）C6140 橫向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定Mq= 04.279105.()lMNcm?電動機(jī)選用三相六拍工作方式查手冊得 Mq/mjm=0.866Mjm= .2.()0.86qc=1.215(N.m)步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率fmax= max103.()9.5VHZ??綜合考慮，查表選用 110BF004 型直流步進(jìn)電機(jī)，能夠滿足使用要求。（三）110BF003 型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)電機(jī)型號 相數(shù) 步驅(qū)角 電壓 相電流 最大轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動率110BF003 3 0.75 80 6 7.84（80）1500運行頻率 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 線圈電阻 分配方式 重量 外徑 長度 軸徑7000 46.06(4.7) 0.37 三相六拍 6 110 160 11參考價 原型號350 BFG090811- 22 -（四）110BF004 型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)電機(jī)型號 相數(shù) 步驅(qū)角 電壓 相電流 最大轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動率110BF004 3 0.75 30 4 4.9（50） 500運行頻率 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 線圈電阻 分配方式 重量 外徑 長度 軸徑34.3(3.5) 0.76 三相六拍 5.5 110 110 11參考價 原型號350 BFG09041111第三章經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)選型用數(shù)控機(jī)床工工件時，首先應(yīng)編制零件加工程序。這是數(shù)控機(jī)床的工作指令。將加工程序輸入數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機(jī)床主動的變速、啟動、停止、進(jìn)給運動的方向速度和位移量，以及刀具選擇交換，工件裝夾和冷卻潤滑的開關(guān)等動作，使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴(yán)格按照加工程序規(guī)定的順序、運行軌跡和運行參數(shù)進(jìn)行工作，從而達(dá)到加工出符含合要求零件的目的。C6140 數(shù)控車床改造后聯(lián)動軸數(shù)為二軸聯(lián)動且傳動精度要求比較高，主要有A850CNC 系統(tǒng)和 JWK 兩種系統(tǒng)。經(jīng)過實際比較分析，JWK 系統(tǒng)的核心是 MCS-51 系列的8031 單片微機(jī)，其采用 ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼編程，能自動完成車削端面、內(nèi)外圓、倒角等功能，并配有完備的 S、T、M 功能。該系統(tǒng)爾采用模塊化設(shè)計，內(nèi)部有計算機(jī)等四種模塊。更換維修方便快速。A850CNC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，工藝先進(jìn)，性能穩(wěn)定，可維修性很大。根據(jù)實際生產(chǎn)需要，以及數(shù)控系統(tǒng)的要求，經(jīng)過實際比較分析，選用 JWK 系列。其中又以 JWK-15T 型系統(tǒng)應(yīng)用最廣、功能較強(qiáng)、操作使用更方便。所以，決定使用JWK-15T 型數(shù)控系統(tǒng)。JWK-15T 主要性能參數(shù)如下：生產(chǎn)廠家 南京微分電機(jī)廠江南機(jī)床數(shù)控工程公司型 號 JWK-15T用戶容量 24K設(shè)定單位 X=0.005，Z=0.01控制軸數(shù) X、Z聯(lián)動軸數(shù) 二軸編程尺寸 ±9999.99快速（X/Z）向 3/6m/minG 功能 M00～M09，M20～M29，M97～M99S 功能 S01～S04，S05～S10T 功能 T、X～T8X步進(jìn)電機(jī) 110BF003- 23 -工作電源 220V±10% 50HZ控制精度 1 步功耗 W 360環(huán)境溫度 0～40℃相對濕度 80%（25℃）外形尺寸（mm） 340×400×200系流重量（kg） 17第四章 電動刀架的選型自動轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計是普通機(jī)床，數(shù)控改造的關(guān)鍵。它要求刀架要具有抬起、回轉(zhuǎn)、下降、定位和壓緊這一系功能。盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各方面要求不，但它保持了原本床工件最大回轉(zhuǎn)直徑的條件下，提供選用的多把刀的可能性。電動刀架的安裝較方便，只要將原車床上的刀架拆下將電動刀架裝即可但要注意兩點：1) 電動刀臺的兩側(cè)面應(yīng)與車床的橫向進(jìn)給方向平行。2) 電動刀臺與系統(tǒng)的連線建議如下安裝：沿橫向工作臺右側(cè)面先走線到車床后面，再沿車床后導(dǎo)軌下方拉出的鐵絲滑線，走線到系統(tǒng)。其好處在于：避免走線雜亂無章，而使得加工時切屑、冷卻液以及其它雜物磕碰電動刀架系統(tǒng)。綜合各方面因素，選用常州武進(jìn)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的 LD4-I 型系列四工位自動刀架。機(jī)床型號 C6140刀位數(shù) 4電機(jī)功率（W） 120電機(jī)轉(zhuǎn)速 1400r/min夾緊力 1切體尺寸 152×152下刀體尺 161×171LD4-I 型刀架技術(shù)指標(biāo)配車床型號 C6140重復(fù)定位精度 ≤0.005mm工作可靠性 >30000 次換刀時間 90° 2.9（秒）180° 3.4（秒）270° 3.9（秒）- 24 -第五章 編制零件工序及數(shù)控程序?qū)嵗粰C(jī)床改造參數(shù)的選擇（一）車床縱向運動由 Z 向步進(jìn)電動機(jī)控制110BF003 型直流步進(jìn)電動機(jī)配套絲杠螺距為 10㎜泳沖當(dāng)量：0.01㎜改造后的泳沖當(dāng)量：0.01㎜（二）車床橫向運動由 X 向步時電動機(jī)控制110BF003 型步進(jìn)電動機(jī)配套絲杠螺距為 8㎜脈沖當(dāng)量：0.05㎜改造后的脈沖當(dāng)量：0.05㎜二程序設(shè)計（一）數(shù)控機(jī)床參數(shù)及約定脈沖當(dāng)量：X 向（橫向）為 0.05㎜Z 向（縱向）為： 0.01㎜坐標(biāo)原點為：0 點加工起點為：A 點安裝方法：零件裝夾于床頭主軸與尾座頂尖之間。采用專用芯軸方式定位。使用方法：專用組合車刀、切刀加工工序說明：此工序為精車加工，零件外部形狀尺寸全部成型。零件各部分尺寸預(yù)留精車余量 0.8～1.2㎜(二) 編程參數(shù) 說明加工編程中以球頭車刀圓心與加工起點相重合 φ187 外圓處侄角計算，見圖一。- 25 -因為 AO1=R=2所以 BC=2－2×sin45°=0.585784CD=O1O=BC/sin45°=0.828O2E=1－0.828=0.17202F=03F=2+0.172=2.172見立體圖3、編制程序JWK-15T 型數(shù)控裝置零件加工程序如下：- 27 -NO10NO20N030N040N050N060N070N080N090N110F140N120N130N140N150N160N170F140N180G92M03 G04G01X38、48G04G01G04G01G03G04G01G04G01G021G02G04X300 Z76F2.0X44 F400F80 F2.0X42、48 F80F2.0V4 W4 F140 N100 G04 F2.0V17.52 W-22 I46.48 K-22 F2.0X76 F100F2.0W-8 F100F2.0V6 W-3 I6 K0 F2.0- 28 -N190N200N210N220N230N240N250N260N270N280N290N300N310N320N330N340N350N360N370N380N390N400G01G04G01G04G01G01G04G01G04G01G04G01G01G04G01G04G01T22G04G01G04G01X188.98 F80F2.0V4.344 W-2.172 F100G04 F2.0W-28.828 F100X187 F80F2.0V2 W-1 F100F2.0X57 F100F2.0W-5 F80X201 F260F2.0W52 F260F2.0W4 F80F2.0X73 F260F2.0X66 F80N410N420N430N440N450N460N470N480N490N500N510N520G04G01G04G01G04G01G04G01T01G01Z76M02F2.0X60 F80F2.0X58 F80F2.0X201 F260F2.0V108 W32 F300X300 F100- 29 -參考文獻(xiàn)1、 《實用數(shù)控加工技術(shù)》 作