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目錄 任務(wù)書 開題報告 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 指導(dǎo)人評語 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 評閱人評語 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 答辯委員會記錄 摘要 1 前言 2 第一章 概論 3 一 系統(tǒng)發(fā)展史 3 二 國內(nèi)數(shù)控機床的狀況分析 3 三 數(shù)控系統(tǒng)能發(fā)展趨勢 4 四 數(shù)控機床的改造的必要性 5 五 數(shù)控化改造的空間 6 六 數(shù)控機床改造的效益分析 7 第二章 普通機床的數(shù)控化改造和可行性論證 9 第一節(jié) 車床的數(shù)控化改造 9 一 設(shè)計的內(nèi)容及任務(wù) 9 第二節(jié) 可行性論證 10 第三章 總體方案的擬訂和論證 11 第一節(jié) 總體設(shè)計方案的擬訂 11 1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計改造 11 2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 11 3 自動轉(zhuǎn)位刀架選擇設(shè)計 12 4 驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計改造 12 第二節(jié) 可行性分析 15 第三節(jié) 總體方案的確定 16 第四章 主傳動部分改造與設(shè)計 17 一 主傳動部分方案擬訂和設(shè)計的內(nèi)容 18 二 主軸部分改造設(shè)計計算 19 第五章 伺服進給結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 第一節(jié)伺服系統(tǒng)的組成原理和要求 27 一 伺服系統(tǒng)的組成原理 27 二 伺服系統(tǒng)的要求 27 第二節(jié) 伺服進給系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計計算 29 一 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計 29 二 橫向進給系統(tǒng)餓設(shè)計計算 40 第三節(jié) 步進電機的選擇 47 一 CA6140 縱向進給系統(tǒng)步進電機確定 47 二 CA6140 橫向進給系統(tǒng)步進電機確定 48 第四節(jié) 伺服系統(tǒng)說明 48 一 機床進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理 48 二 步進電機 50 三 步進電機的驅(qū)動電源 50 四 滾珠絲杠 51 五 機床導(dǎo)軌 52 第六章 自動轉(zhuǎn)位刀架 53 一 數(shù)控車床刀架的基本要求 53 二 車床刀架結(jié)構(gòu) 53 三 工作原理 54 四 刀架的安裝 55 第七章 編碼盤安裝部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計 56 一 光電編碼器工作原理 56 二 步進電機頻率對編碼盤的限制 57 三 編碼盤的安裝 57 第八章 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中常用軟件模塊設(shè)計 59 第一節(jié) 插補原理及其程序設(shè)計 59 一 插補方法概述 59 二 逐點插補原理及其程序設(shè)計 60 三 插補控制軟件 69 第二節(jié) 接口電路設(shè)計 78 一 單片機和主機 PC 機 的連接 78 二 8031 單片機接口的擴展 80 三 鍵盤 顯示器接口芯片 8279 82 四 中斷優(yōu)先電路 85 五 光電隔離電路 86 第三節(jié) 伺服電路 87 一 系統(tǒng)的組成 87 二 接口電路 89 三 位置和速度接口 89 四 步進電機控制程序設(shè)計 89 五 單片機控制的自動換刀程序設(shè)計 96 六 典型零件的加工程序設(shè)計 97 參考文獻 前 言 大學(xué)四年的學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束 大學(xué)學(xué)習(xí)生活中的最后一個環(huán)節(jié)也是最重要一個 環(huán)節(jié) 畢業(yè)設(shè)計 是對所學(xué)知識和技能的綜合運用和檢驗 本人的畢業(yè)設(shè)計課題是對普通車床 CA6140 進行經(jīng)濟型數(shù)控改造 其內(nèi)容包括 總體方案的確定和驗證 機械改造部分的設(shè)計計算 伺服進給機構(gòu)設(shè)計 自動轉(zhuǎn)位刀 架的選擇或設(shè)計 編碼盤安裝部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計 主運動自動變速原理等 對普通車床 進行經(jīng)濟型數(shù)控改造符合我國國情 即適合我國目前的經(jīng)濟水平 教育水平和生產(chǎn)水 平 又是國內(nèi)許多企業(yè)提高生產(chǎn)設(shè)備自動化水平和精密程度的主要途徑 在我國有著 廣闊的市場 從另一個角度來說 該設(shè)計既有機床結(jié)構(gòu)方面內(nèi)容 又有機加工方面內(nèi) 容 還有數(shù)控技術(shù)方面的內(nèi)容 有利于將大學(xué)所學(xué)的知識進行綜合運用 雖然設(shè)計者 未曾系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過機床設(shè)計的課程 但通過該設(shè)計拓寬了知識面 增強了實踐能力 對普通機床和數(shù)控機床都有了進一步的了解 畢業(yè)設(shè)計作為我們在大學(xué)校園里的最后一堂課 最后一項測試 它既是一次鍛煉 也是一次檢驗 在整個設(shè)計過程中 我獲益匪淺 在此 我要衷心感謝梁潔萍老師對 我的關(guān)心和細(xì)致指導(dǎo) 由于畢業(yè)設(shè)計是我的第一次綜合性設(shè)計 無論是設(shè)計本人的紕漏還是經(jīng)驗上的缺 乏都難免導(dǎo)致設(shè)計的一些失誤和不足 在此 懇請老師和同學(xué)們給以指正 設(shè)計者 楊永波 2004 年 4 月 摘 要 本設(shè)計說明書包括 概論 總體設(shè)計方案的擬定和驗證 主傳動部分的改造設(shè)計 伺服進給系統(tǒng)的改造設(shè)計 自動轉(zhuǎn)位刀架的選擇設(shè)計 編碼盤安裝部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計等 幾個部分 改造后的機車 主運動實現(xiàn)自動變速 縱向 橫向進給系統(tǒng)進行數(shù)控控制 并要求達(dá)到縱向最小運動單位為 0 01 脈沖 橫向最小運動單位 0 005 脈沖 刀mm 架要是自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架 要能自動切削螺紋 關(guān)鍵字 數(shù)控改造 進給系統(tǒng) 滾珠絲杠 自動刀架 Abstract This introduction of the design included The draw up of the general outline the decision and verify of the total designal projection the reforms design to the parts of the lord spreads to move the reforms design to the system of serve enters the choice and design to the knife which turn automatically the constructions design of coding dish gearing part and so on while the Motorcycle been reformed the lord exercises realize to change speed automatically lengthways horizontal enter to proceed to system the number controls the control and request to attain lengthways minimum sport unit as 0 01 mm pulse horizontal minimum sport unit as 0 005 mm pulse knife must be the automatic control a knife which is turning automatically and it is able to slice the thread automatically Key word The number controls to reforms the system of enters roll the bead in silk automatic knife 第一章 概論 一 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史 1946 年誕生了世界上第一臺電子計算機 這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替 腦力勞動的工具 它與人類在農(nóng)業(yè) 工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具 相比 起了質(zhì)的飛躍 為人類進入信息社會奠定了基礎(chǔ) 6 年后 即在 1952 年 計 算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上 在美國誕生了第一臺數(shù)控機床 從此 傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì) 的變化 近半個世紀(jì)以來 數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展 二 國內(nèi)數(shù)控機床狀況分析 一 國內(nèi)數(shù)控機床現(xiàn)狀 近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升 在大中企業(yè)已有較多的使用 在中 小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用 在這些數(shù)控機床中 除少量機床以 FMS 模 式集成使用外 大都處于單機運行狀態(tài) 并且相當(dāng)部分處于使用效率不高 管理方式 落后的狀態(tài) 2001 年 我國機床工業(yè)產(chǎn)值已進入世界第 5 名 機床消費額在世界排 名上升到第 3 位 達(dá) 47 39 億美元 僅次于美國的 53 67 億美元 消費額比上一年增 長 25 但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求 使我國機床的進口額呈逐年上升 態(tài)勢 2001 年進口機床躍升至世界第 2 位 達(dá) 24 06 億美元 比上年增長 27 3 近 年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床 數(shù)控磨床 數(shù)控特種加工機床 數(shù) 控剪板機 數(shù)控成形折彎機 數(shù)控壓鑄機等 普通機床有鉆床 鋸床 插床 拉床 組合機床 液壓壓力機 木工機床等 出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主 二 國內(nèi)數(shù)控機床的特點 1 新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破 技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位 2 數(shù)控機床產(chǎn)量大幅度增長 數(shù)控化率顯著提高 2001 年國內(nèi)數(shù)控金切機床產(chǎn)量已達(dá) 1 8 萬臺 比上年增長 28 5 金切機床行業(yè) 產(chǎn)值數(shù)控化率 從 2000 年的 17 4 提高到 2001 年的 22 7 3 數(shù)控機床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破 三 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1 繼續(xù)向開放式 基于 PC 的第六代方向發(fā)展 基于 PC 所具有的開放性 低成本 高可靠性 軟硬件資源豐富等特點 更多的 數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路 至少采用 PC 機作為它的前端機 來處理人機界 面 編程 聯(lián)網(wǎng)通信等問題 由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù) PC 機所具有的友好的 人機界面 將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng) 遠(yuǎn)程通訊 遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍 2 向高速化和高精度化發(fā)展 這是適應(yīng)機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要 3 向智能化方向發(fā)展 隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展 數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提 高 1 應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù) 數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息 并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù) 達(dá)到改進系 統(tǒng)運行狀態(tài)的目的 2 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 將熟練工人和專家的經(jīng)驗 加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中 以工藝參數(shù) 數(shù)據(jù)庫為支撐 建立具有人工智能的專家系統(tǒng) 3 引入故障診斷專家系統(tǒng) 4 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置 可以通過自動識別負(fù)載 而自動調(diào)整參數(shù) 使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行 四 機床數(shù)控化改造的必要性 一 微觀看改造的必要性 從微觀上看 數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性 而且這些優(yōu)越性均來自 數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力 1 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線 曲面等復(fù)雜的零件 由于計算機有高超的運算能力 可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運動 的運動量 因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面 2 可以實現(xiàn)加工的自動化 而且是柔性自動化 從而效率可比傳統(tǒng)機床提高 3 7 倍 由于計算機有記憶和存儲能力 可以將輸入的程序記住和存儲下來 然后按程序 規(guī)定的順序自動去執(zhí)行 從而實現(xiàn)自動化 數(shù)控機床只要更換一個程序 就可實現(xiàn)另 一工件加工的自動化 從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化 故被稱為實現(xiàn)了 柔性自 動化 3 加工零件的精度高 尺寸分散度小 使裝配容易 不再需要 修配 4 可實現(xiàn)多工序的集中 減少零件 在機床間的頻繁搬運 5 擁有自動報警 自動監(jiān)控 自動補償?shù)榷喾N自律功能 因而可實現(xiàn)長時間無人看 管加工 6 由以上五條派生的好處 如 降低了工人的勞動強度 節(jié)省了勞動力 一個人可以看管多臺機床 減少 了工裝 縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期 可對市場需求作出快速反應(yīng)等等 二 宏觀看改造的必要性 從宏觀上看 工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍 民機械工業(yè) 在 70 年代末 80 年代初已開始 大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床 由于采用信息技術(shù)對國外軍 民機械工業(yè)進行深入改造 稱之 為信息化 最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強 而我 們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后 20 年 如我國機床擁有量中 數(shù) 控機床的比重 數(shù)控化率 到 1995 年只有 1 9 而日本在 1994 年已達(dá) 20 8 因 此每年都有大量機電產(chǎn)品進口 這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性 五 數(shù)控化改造的市場空間 機床的數(shù)控制化改造是一個方興未的行業(yè) 從各種統(tǒng)計數(shù)字上看前途應(yīng)該是十分 光明的 例如 在美國 日本和德國等發(fā)達(dá)國家 它們的機床改造人作為新的經(jīng)濟增 長行業(yè) 生意盎然 正處在黃金時代 由于機床以及數(shù)控技術(shù)的不斷進步 機床改造 是一個 永恒 的課題 我國的機床改造業(yè) 也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新 的行業(yè)所以不難看出 1 國內(nèi)的市場 我國目前機床總量 380 余萬臺 而其中數(shù)控機床總數(shù)只有 11 34 萬臺 即我國機床 數(shù)控化率不到 3 近 10 年來 我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為 0 6 0 8 萬臺 年產(chǎn)值約 為 18 億元 機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6 我國機床役齡 10 年以上的占 60 以上 10 年以下的機床中 自動 半自動機床不到 20 FMC FMS 等自動化生產(chǎn)線更屈指 可數(shù) 美國和日本自動和半自動機床占 60 以上 可見我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企 業(yè)的生產(chǎn) 加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床 而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機 床 用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差 品種少 檔次低 成本高 供貨期 長 從而在國際 國內(nèi)市場上缺乏競爭力 直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品 市場 效益 影響企業(yè)的生存和發(fā)展 所以必須大力提高機床的數(shù)控化率 2 進口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場 我國自改革開放以來 很多企業(yè)從國外引進技術(shù) 設(shè)備和生產(chǎn)線進行技術(shù)改造 據(jù)不完全統(tǒng)計 從 1979 1988 年 10 年間 全國引進技術(shù)改造項目就有 18446 項 大 約 165 8 億美元 這些項目中 大部分項目為我國的經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用 但是有的引進項 目由于種種原因 設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運轉(zhuǎn) 甚至癱瘓 使企業(yè)的效益受到影響 嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境 一些設(shè)備 生產(chǎn)線從國外引進以后 有的消化吸收不好 備 件不全 維護不當(dāng) 結(jié)果運轉(zhuǎn)不良 有的引進時只注意引進設(shè)備 儀器 生產(chǎn)線 忽 視軟件 工藝 管理等 造成項目不完整 設(shè)備潛力不能發(fā)揮 有的甚至不能啟動運 行 沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用 有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好 但是因為設(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn) 達(dá)標(biāo) 有的因為能耗高 產(chǎn)品合格率低而造成虧損 有的已引進較長時間 需要進行 技術(shù)更新 種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財富 反而消耗著財富 這些不能使用的設(shè)備 生產(chǎn)線是個包袱 也是一批很大的存量資產(chǎn) 修好了就是 財富 只要找出主要的技術(shù)難點 解決關(guān)鍵技術(shù)問題 就可以最小的投資盤活最大的 存量資產(chǎn) 爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益 這也是一個極大的改造市場 六 機床改造的效益分析 提高機床數(shù)控化效率有兩個途徑 一是購買新的數(shù)控機床 二是對舊的機床進行 改造而對于一個機床擁有量大 經(jīng)濟財力又不足的發(fā)展中國家來說 采用舊機床改造 來提高設(shè)備的先進性和數(shù)控化率是一個極其有效和使用的途徑 采用第二中方法有以 下的優(yōu)點 1 減少了投資和交貨的期限 同購置新的數(shù)控機床相比 一般可以節(jié)省 60 到 80 的費用 改造的費用大大減低 2 機械的穩(wěn)定性可靠 機床的床身 立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄鐵構(gòu)件 而鑄件越久自然失效充分 內(nèi)應(yīng)力的消除使得比新的鑄件更穩(wěn)定 這些鑄件的使用又 可以節(jié)約社會資源 又減少了鑄鐵件生產(chǎn)時對環(huán)境的污染 3 熟悉了解設(shè)備結(jié)構(gòu)性能 便于操作維修 購買的新設(shè)備 事先很難前面了解 機床的結(jié)構(gòu)性能 以至很難預(yù)算是否完全適合加工要求 而改造則完全可以避免這種 情況 并且大大縮短了對數(shù)控機床在使用和維修方面的培訓(xùn)時間 機床一旦改裝完成 很快就可以投入使用 見效較快 4 可以充分利用現(xiàn)有的條件 可以充分利用現(xiàn)有的地基 不必像購新機時重 新構(gòu)筑新基 同時工夾具 樣板和外設(shè)備也可以在利用 5 可更好的因地制宜合理篩選功能 購買現(xiàn)成的通用型機床 往往對一個具體 的生產(chǎn)加工有一些多余的功能 又可能缺少某一個專用的特殊功能 如向機床制造廠 提出特殊定貨要求 增加某些特殊的加工要求 往往費用大 交貨的日期又長 而采 用改造的方案就可以根據(jù)生產(chǎn)加工要求 采用組合的方法再某些部件設(shè)計改造成專用 的數(shù)控機床 6 可及時采用最新技術(shù) 充分利用社會資源 由于技術(shù)進步和我國機床功能部 件專業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展 目前已有眾多的疏忽資源支持機床方面的改造 如隨意采購 各種尺寸的滾珠絲杠副 且交貨期短 采用貼塑導(dǎo)軌新技術(shù) 可使傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)軌的 摩擦系數(shù)降低五至十幾倍來防止爬行 還可以使得刮研極容易 等等例子說明有一大 批社會資源 可根據(jù)技術(shù)更新的發(fā)展速度 及時地采用最新技術(shù)來提高生產(chǎn)設(shè)備的自 動化水平和效率 提高設(shè)備質(zhì)量和檔次 將舊機場改造成當(dāng)今水平的機床 第二章 普通車床的數(shù)控改和可行性論證 第一節(jié) 車床的數(shù)控改造 一 設(shè)計內(nèi)容及任務(wù) 普通車床 的數(shù)控改造設(shè)計內(nèi)容包括 總體方案的確定和驗證 機械改6140CA 造部分的設(shè)計計算 伺服進給機構(gòu)設(shè)計 自動轉(zhuǎn)位刀架的選擇或設(shè)計 編碼盤安裝部 分的結(jié)構(gòu)設(shè)計 主運動自動變速原理 部分系統(tǒng)控制軟件設(shè)計 本設(shè)計任務(wù)是對 臥式車床進行數(shù)控化改造 實現(xiàn)微機對車床的數(shù)控化控制 6140A 利用微機對車床的縱向 橫向進給系統(tǒng)進行數(shù)字控制 并要達(dá)到縱向最小運動單位為 0 01 脈沖 橫向最小運動單位 0 005 脈沖 主運動要實現(xiàn)自動變速 刀架要mm 改造成自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架 要能自動的切削螺紋 二 數(shù)控機床工作原理及組成 1 數(shù)控機床工作原理 數(shù)控機床加工零件時 首先應(yīng)編制零件的加工程序 這是數(shù)控機床的工作指令 將加工程序輸入到數(shù)控裝置 再由 數(shù)控裝置控制機床主運動的變化 起停 進給運動的方向 速度和位移量以及其它如 刀具 圖 2 1 數(shù)控機床的組成圖 選擇交換 工件夾緊松開和冷卻潤滑的開 關(guān)等動作 使刀具與工件及其它輔助 數(shù) 控 裝 置控 制 介 質(zhì) 測 量 裝 置伺 服 系 統(tǒng) 機 床 裝置嚴(yán)格的按照加工程序規(guī)定的順序 軌跡和參數(shù)進行工作 從而加工出符合要求的 零件 2 數(shù)控機床的組成 數(shù)控機床主要由控制介質(zhì) 數(shù)控裝置 伺服系統(tǒng)和機床本體等四部分組成 其組 成框圖如圖 2 1 第二節(jié) 可行性論證 根據(jù) 自動化制造系統(tǒng) 可行性論證使用戶建造自動化制造系統(tǒng)項目前所進行的 技術(shù)和經(jīng)濟性分析報告 是上級主管部門審定和批準(zhǔn)立項的基本依據(jù) 同樣 在進行 普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造之前進行合理的 科學(xué)的可行性論證是必要的 根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法 普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個 方面進行 即企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析 企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標(biāo) 改造的基礎(chǔ) 條件 目標(biāo) 技術(shù)方案 投資概算 效益分析 改造后車床的實施計劃 結(jié)論等 由于本設(shè)計僅作為大學(xué)本科生的畢業(yè)設(shè)計 故在此 設(shè)計者僅對改造的投資概算 作一簡要的可行性論證 本改造設(shè)計是對普通車床 CA1640 進行經(jīng)濟型數(shù)控改造 在改造設(shè)計中 采用的是 廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的 GSK980T 型數(shù)控系統(tǒng) 加上兩臺伺服電機 費用約為 4 萬余元 兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副 貼塑導(dǎo)軌等零件 費用約為 1 萬余元 總的改造費用約為 5 6 萬元 舊車床估計截至在 6 7 萬元 這樣設(shè)備改造費用和舊 設(shè)備費用總計不會超過 13 萬元 因此 對普通車床作經(jīng)濟型數(shù)控改造適合我國國情 是國內(nèi)企業(yè)提高車床的自動化能力和精密程度的有效選擇 它具有一定的典型性和實 用性 第三章 總體方案的擬定和論證 數(shù)控機床作為機電一體化的典型產(chǎn)品 在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用 很好地 解決了現(xiàn)代機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜 精密 批量小 多變零件的加工問題 且能穩(wěn)定產(chǎn)品 的加工質(zhì)量 大幅度地提高生產(chǎn)效率 但從目前企業(yè)面臨的情況看 因數(shù)控機床價格較 貴 一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足 我國作為機床大國 對普通機床數(shù)控化改 造不失為一種較好的良策 第一節(jié) 總體設(shè)計方案的擬定 C6140 車床主要用于對中小型軸類 盤類以及螺紋零件的加工 這些零件加工工藝 要求機床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有 控制主軸正反轉(zhuǎn)和實現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速 刀 架能實現(xiàn)縱向和橫向的進給運動 并具備在換刀點自動改變四個刀位完成選擇刀具 冷 卻泵 潤滑泵的啟停 加工螺紋時 應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn) 刀架移動一個被加工螺紋的螺 距或?qū)С?這些工作內(nèi)容 就是數(shù)控化改造數(shù)控系統(tǒng)控制的對象 察看 C616 車床及有 關(guān)資料 并且參照數(shù)控車床的改造經(jīng)驗 確定總體改造方案 1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計改造 對普通車床進行數(shù)控改造時 一般可保留原有的主傳動系統(tǒng)和變速操作機構(gòu) 以減 少改造量 但本設(shè)計中為了提高車床的自動化程度 以便于在加工過程中實現(xiàn)自動變換 切削速度 對其作了相應(yīng)的簡化改造 采用交流調(diào)速電機做車床主軸電機以取代原來的主軸電機 以實現(xiàn)無級調(diào)速 并簡 化原來傳動系統(tǒng) 以達(dá)到多檔調(diào)速范圍的確定 2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇設(shè)計 計算機數(shù)控裝置 CNC 即控制裝置是數(shù)控機床的中心環(huán)節(jié) 它通過對加工程序的 運行處理 發(fā)出控制信號 實現(xiàn)對加工過程的自動控制 在本設(shè)計中 由于時間較短 設(shè)計人員少 因而我們決定引進江蘇東方數(shù)控新技術(shù) 公司生產(chǎn)的 NIM 9702 數(shù)控系統(tǒng) NIM 9702 數(shù)控系統(tǒng)有以下特點 3 自動轉(zhuǎn)位刀架選擇設(shè)計 數(shù)控機床的刀架是機床的重要組成部分 其結(jié)構(gòu)直接影響車床的切削性能和效率 臥式車床數(shù)控改造應(yīng)將原來機床的普通手動轉(zhuǎn)位刀架替換成自動換位刀架 本設(shè)計決定 采用常州武進數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的 LD4四工位螺旋轉(zhuǎn)位刀架 4 驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計改造 由于改造設(shè)計的是簡易型經(jīng)濟數(shù)控 所以在考慮具體方案時 基本原則是在滿 足需要的前提下 對于機床盡可能減小改動量 以降低成本 總體改造如下圖所示 圖 7 1 總體改造的示意圖 1 控制方式類型選擇 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)控制 閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制之分 開環(huán)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)簡單 工作可靠 造價低廉 但影響定位精度的機械傳動裝置的 摩擦 慣量 間隙的存在 故精度和快速性較差 開環(huán)控制的定位精度一般為 0 01 0 02 不能滿足橫向最小運動單位 0 005 脈沖的要求 mm 閉環(huán)系統(tǒng) 控制精度高 快速性好 但對機床的要求比較高 且造價較昂貴 閉環(huán)控制的定位精度一般為 0 001 0 003 本設(shè)計屬經(jīng)濟型數(shù)控改造 無須達(dá) 到此精度 半閉環(huán)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)簡單 調(diào)整方便 在中小型性能要求較高的數(shù)控機床中應(yīng)用較多 故本設(shè)計采用半閉環(huán)控制 半閉環(huán)控制系統(tǒng)組成原理圖如下 圖 7 2 半閉環(huán)控制原理圖 2 伺服進給機構(gòu)的改造 縱向進給機構(gòu)的改造 拆除原來機床的溜板箱 光杠與絲杠以及安裝座 裝上滾珠絲杠及其相應(yīng)的安裝裝 置 縱向驅(qū)動的步進電機及減速箱安裝在絲杠的右端 采用滾珠絲杠可以提高系統(tǒng)的精 度和縱向進給的整體剛度 橫向進給機構(gòu)的改造 拆除原來橫向進給的絲杠 換上滾珠絲杠 保留原來的橫向手柄機構(gòu) 橫向步進電 機和減速箱安裝在機床后側(cè) 測 量 角 度 伺 服放 大 器反饋脈沖進 結(jié) 脈 沖 比 較 環(huán) 節(jié) 工 作 臺齒 輪 箱伺 服電 動 機 3 步進電動機的選用 選用步進電動機 通常希望步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩大 啟動頻率和運行頻率高 步 距誤差小 但是 增大轉(zhuǎn)矩與快速運行存在一定的矛盾 高性能與低成本相矛盾 因此 在實際選用步進電動機時 要考慮各方面因素 首先要保證機床的定位精度 而脈沖當(dāng)量直接影響機床的定位精度 脈沖當(dāng)量越小 機床的定位精度越高 但機床的快速進給速度就越小 為兼顧精度與速度的要求 應(yīng)在 滿足精度的條件下 選擇盡可能大的脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量確定后 以此為依據(jù)選擇步進 電動機的步距角和傳動機構(gòu)的傳動比 4 絲杠螺母副 臥式車床的進給絲杠都是滑動絲杠 即絲杠與螺母之間的摩擦為滑動摩擦 由于 滑動絲杠螺母副的摩擦大 轉(zhuǎn)動效率低 在精度要求不高的情況下 可以仍用原機床的 滑動絲杠 若要求機床精度和被加工精度較高的情況下 應(yīng)將原機床的滑動絲杠螺母副 改換成滾珠絲杠螺母副 考慮本設(shè)計的設(shè)計要求 選用滾珠絲杠螺母副代替原機床的滑 動絲杠螺母副 5 機床導(dǎo)軌改造 臥式車床上的運動部件 如刀架 工作臺都是沿著機床的導(dǎo)軌面運動的 導(dǎo)軌的 作用就是支承和導(dǎo)向 即支承運動部件 并保證運動部件在外力作用下 能準(zhǔn)確的沿 著一定方向運動 導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度 精度保持性和低速運動平穩(wěn)性 直接影響機床的 加工精度要求 支承能力和使用性能 數(shù)控改造時根據(jù)原機床導(dǎo)軌的磨損程度和加工 精度要求 來確定導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式 一般是將原機床導(dǎo)軌進行修整后貼塑 使其成為貼塑導(dǎo)軌 貼塑導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小 且動 靜摩擦系數(shù)差很小 能防止低速爬行現(xiàn)象 耐磨性 抗咬傷能力強 加工性和 化學(xué)性能穩(wěn)定 具有良好的自潤滑性和抗振性 工藝簡單 成本低 第二節(jié) 可行性論證 可行性論證是用戶建造自動化制造系統(tǒng)項目前所進行的技術(shù)和經(jīng)濟性分析報告 是上級主管部門審定和批準(zhǔn)立項的基本依據(jù) 同樣 在進行普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改 造之前進行合理的 科學(xué)的可行性論證是必要的 根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法 普通車床經(jīng)濟型數(shù)控改造的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個方面 進行 即從企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析 從企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標(biāo) 改造的基礎(chǔ)條 件 目標(biāo) 技術(shù)方案 投資概算 效益分析 改造后車床的實施計劃 結(jié)論等 由于原因限制 設(shè)計者只能就改造的投資概算作一簡要的可行性論證 本改造設(shè)計是對普通車床 進行經(jīng)濟型數(shù)控改造 在改造設(shè)計中 采用的是6140CA 蘇東方數(shù)控新技術(shù)公司生產(chǎn)的 NIM 9702 型數(shù)控系統(tǒng) 常州宏達(dá)機床數(shù)控設(shè)備廠的 電動刀架 加上兩臺伺服電機 費用約為 5 萬余元 一臺交流調(diào)速電動61404CALD 機和齒輪減速機構(gòu) 兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副 貼塑導(dǎo)軌等零件 費用約為 2 萬余元 總的改造費用約為 7 8 萬元 舊車床估計截至在 6 7 萬元 這 樣設(shè)備改造 費用和舊設(shè)備費用總計不會超過 15 萬元 因此 對普通車床作經(jīng)濟型數(shù)控改造適合我 國國情 是國內(nèi)企業(yè)提高車床的自動化能力和加工精度的有效選擇 具有一定的實用 性 第三節(jié) 總體設(shè)計方案的確定 經(jīng)總體設(shè)計方案的論證后 確定的 CA6140 的車床經(jīng)濟型數(shù)控改造的總體方案示意 圖如下圖所顯 CA6140 車床的主軸轉(zhuǎn)速部分采用了變頻調(diào)速交流異步電機 車床的縱 向和橫向進給運動采用步進電機驅(qū)動 經(jīng)步進電機驅(qū)動 齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動 從而實現(xiàn)縱向 橫向進給運動 刀架改成由微機控制 經(jīng)電機驅(qū)動的自動轉(zhuǎn)位刀架 為 保持切削螺紋的功能 需安裝主軸脈沖發(fā)生器 圖 3 3 總體方案設(shè)計圖 第四章 主傳動部分改造與設(shè)計 在改造設(shè)計之前 讓我們先來看一下數(shù)控機床主傳動與普通機床相比所具有的特 點 1 采用調(diào)速電機驅(qū)動 以滿足主軸根據(jù)數(shù)控指令進行自動變速的需要 微 機 光 電 阻 隔 微 電 機 刀 架 光阻 編 碼 器 光 電 阻 隔 功 率 放 大 功 率 放 大 光 電 阻 隔 功 率 放 大 變頻調(diào)速 電 機 步 進 電 機 步 進 電 機 主 軸 縱向工作臺 橫向工作臺 2 傳動路線短 從而簡化了主傳動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu) 3 轉(zhuǎn)速高 功率大 數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機床傳動要求外 還應(yīng)滿足如下要求 具有更大的調(diào)速范圍 并實現(xiàn)無極調(diào)速 數(shù)控機床就要為了保證加工時能選用 1 合理的切削用量 充分發(fā)揮刀具的切削性能 從而獲得最高的生產(chǎn)效率 加工精度和 表面質(zhì)量 必須有更高的轉(zhuǎn)速和更多的調(diào)速范圍 為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì) 的要求 主運動的調(diào)速范圍還應(yīng)進一步擴大 具有較高的精度和剛度 傳動平穩(wěn) 噪聲低 數(shù)控機床加工精度的提高 與主 傳動系統(tǒng)的剛度密切相關(guān) 為此 應(yīng)提高傳動件的制造精度與剛度 齒輪齒面進行高 頻感應(yīng)加熱淬火增加耐磨性 最后一級采用斜齒輪傳動 使傳動平穩(wěn) 采用高精度軸 承及合理 的支承跨距等 以提高主軸件的剛性 具有良好的抗振性和熱穩(wěn)定性 數(shù)控機床上一般既要進行粗加工 又要精加工 加工時可能由于斷續(xù)切削 加工余量不均勻 運動部件不平衡以及切削過程中的自激 振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾 使主軸產(chǎn)生振動 影響加工精度和表面粗 糙度 嚴(yán)重時甚至破壞刀具和或零件 使加工無法進行 因此在主傳動系統(tǒng)中的各主 要零部件不但要求有一定的靜剛度 而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的 能力 抗振性 抗震性用動剛度或動柔度來衡量 如果把主軸組件視為一個等效的 單自由度系統(tǒng) 則動剛度 與動力參數(shù)的關(guān)系為 dk 4 1 d 221 nn 式中 機床主軸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜剛度 k mN 外加激振力的激振頻率 Hz 主軸組件的固有頻率 為當(dāng)量質(zhì)量 為當(dāng)量靜剛度 n n mkk 阻尼比 是阻尼系數(shù) 是臨界阻尼系數(shù) c c c nm 2 由上式可見 為提高主軸組件的抗震性 須使 值較大 為此應(yīng)盡量使阻尼比 dk 當(dāng)量剛度值或固有頻率的值較高 在設(shè)計數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)時 要注意選擇上述 幾個參數(shù)的合理關(guān)系 一 主傳動部分改造方案擬定和設(shè)計的內(nèi)容 改換主軸電動機 換成調(diào)速電動機 通過對電動機的變頻調(diào)速控制再加以簡單的齒輪調(diào)速來實現(xiàn)自動變速 齒輪調(diào)速部分用 磁離合器控制齒輪嚙合 主傳動方式的選擇 主軸電機的選擇 齒輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算 繪制主傳動系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖 圖 4 1 主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖 數(shù)控機床主軸變速方式主要有無級調(diào)速 分段無級調(diào)速和內(nèi)置電機變速等 在本 設(shè)計中采用分段無級調(diào)速 無級變速能夠選用最合理的切削用量 可在運轉(zhuǎn)中變速 操作方便 簡化機械結(jié)構(gòu) 無級變速主要是利用直流和交流調(diào)速電動機 但直流調(diào)速 電動機恒功率調(diào)速范圍很小 一般只有 1 2 很少到 3 4 且換向有限制 現(xiàn)大多采 用交流變頻主軸驅(qū)動系統(tǒng) 交流變頻調(diào)速電動機的性能與直流調(diào)速電動機類似 在額 定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū) 在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率區(qū)域 一般主軸調(diào)速電動機的恒功 反 轉(zhuǎn)正 轉(zhuǎn)DCM2ES1VRFABM1 WU43P TKA375 24V6DYx8z58742ENC 率調(diào)速范圍為 3 4 對于恒功率變速范圍大的主軸傳動系統(tǒng) 需要增加變速齒輪 以 保證主軸上較大的恒功率范圍 考慮本設(shè)計機床要求采取交流變頻電動機和有級變速 箱配合的方案即分段無級變速 主軸的正反轉(zhuǎn)和制動停止 由數(shù)控指令直接控制電動 機來實現(xiàn) 利用車床的主軸交流異步電動機 變頻器 數(shù)控單元 構(gòu)成了變頻調(diào)速ENC 系統(tǒng) 交流電動機的轉(zhuǎn)速 與頻率 電動機的級對數(shù) 及轉(zhuǎn)差率 之間的關(guān)系為 nfpsn 由此可知 改變電源的頻率 即可改變電動機轉(zhuǎn)速 且轉(zhuǎn)速 與頻率psf 1 60 f 成正比 考慮本設(shè)計機床的要求 采取交流變頻電動機和有級變速箱配合的方案 即分段無級變速 主軸的正 反轉(zhuǎn)和制動停止由數(shù)控指令直接控制電動機實現(xiàn) 所謂分段無級變速就是在交流或直流電機無級調(diào)速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速 它能 夠?qū)崿F(xiàn)中 高速段的恒功率傳動 低速段的恒轉(zhuǎn)矩傳動 在該系統(tǒng)中 主軸的正 反轉(zhuǎn) 和制動停止 通過數(shù)控指令直接控制電機來實現(xiàn) 主軸的變速則有電動機的無級變速與 齒輪的有機變速相配合來實現(xiàn) 四 主傳動部分改造設(shè)計計算 根據(jù)機車要求粗選車床主軸變速范圍 100 2500 25aRmaxnin rmini r 粗步估算電動機功率 根據(jù)統(tǒng)計分析法 36 5 P 54 1kwD 取 400 據(jù)車床說明書 機床的最大加工直徑 D 所以 36 5 0 41 54 8 9 1 切削力參數(shù)的確定 切削力 9 81 zFZFCZFXpaZYfFvZk 據(jù) 實用機床設(shè)計手冊 以后若無說明則源于 實用機床設(shè)計手冊 查表 2 2 4 得 1 0 75 0 1 188ZFXZFYZFZFkZFC2 mkgf 查表 2 1 16 據(jù) 金屬切削原理 粗加工 精加工 切削深度 Pa4 6 1 0 2 0 進給量 f0 8 0 4 0 2 0 4 切削速度 cv80 110 120 150 估算最大最小的切削力 6286 5 maxZFN 1121 4 in 切削功率 4 4 mP60vzkw 則最大最小的切削功率為 9 95 maxPkw 2 52 in 主電動機功率 4 5 zP k 主轉(zhuǎn)動鏈的總效率 取 0 9 則最大最小的總效率 11 maxZw 2 8 inPk 根據(jù)計算選用 11 的電動機 kw4160 LYD 最高轉(zhuǎn)速 3500maxi r 額定轉(zhuǎn)速 1460nn 2 確定變速級數(shù) z 和公比 主軸計算轉(zhuǎn)速 4 6 則 cnmi3 0inax 15 99 5 cn3 025 r 主軸恒功率變速范圍 4 7 PRcnmax 即 25 125 920 電動機恒功率變速范圍 4 8 DPcnmax 即 2 40 R14603 公比 4 9 Z DP 即 14 714 25 齒輪變速級通常為 2 4 當(dāng) 取 2 時 13 25z 當(dāng) 取 3 時 3 64 當(dāng) 取 4 時 2 37z 若選用 2 13 25 4 10 0PDR 即 2 0 025 134 kw 若選用 3 3 64z 7 25 0P6 功率降低區(qū)的最小輸出滿載功率僅為 2 0 7 25 與機床要求的最大功率相kw 差太大 古不能采用 若選用 4 2 37 z 11 14 0P37 241 k 符合機床功率要求 3 主軸參數(shù)計算 主軸恒轉(zhuǎn)矩變速范圍 4 11 TRminc 即 3 9825 9 因為主軸和電動機的恒轉(zhuǎn)矩變速范圍應(yīng)相等 即 DTR 主電動機的最低轉(zhuǎn)速 4 12 min 即 366 8 inD98 31460 電動機額定轉(zhuǎn)矩 4 13 dTP5 即 71 95 Dd1460 mN 主軸計算轉(zhuǎn)速 44 04 cnin r 主軸恒功率變速范圍 4 14 PRcmax 即 35 075 920 分級變速機構(gòu)的變速范圍 4 15 FDPR 即 14 6FR4 20735 主傳動系統(tǒng)總降速比 4 16 idcn 即 0 068 1 16i14605 9 4 分段無級變速傳動方案確定 由前面計算得 4 2 37z 令 1 2 試取 1 i 查表 2 3 4 取 1 122i 則 2 66 0 471i3 故取 23 61z 1z 50 562 2 64 303z 3z 由以上計算得 3 556 取 3 554i4i 故取 20 704z z 根據(jù)原機床的 機床說明書 取 2 5 2 2 25 2 251m234m 35 b0 所以 2 5 23 57 5 1dz 2 5 61 152 5 2 50 100 2m 2 56 112 d 主 電 機 1kw702350661脈 沖 發(fā) 生 器 電 磁 離 合 器31 2 25 65 144 3dm 2 25 31 67 5 2 25 20 45 4 2 25 70 157 5 d因為齒輪 軸 軸承的型號大小與原機床無大的改動 所以這里就不再作強度 剛度的校核 根據(jù) 實用機床設(shè)計手冊 知 當(dāng) 時 在變速箱的每檔內(nèi)會使一部分低轉(zhuǎn)DPR速的傳動功率下降 按恒轉(zhuǎn)矩方式變速 在 曲線上會出現(xiàn) 缺口 曲線上的缺n 口則稱為功率降低區(qū) 當(dāng) 時 可保證主軸在自計算轉(zhuǎn)速 至最高轉(zhuǎn)速 DP cn 范圍內(nèi)全部為恒功率 曲線上無 缺口 可以充分利用主電動機的功率maxnn 該機床主軸傳動系統(tǒng)圖 4 3 圖 4 3 主軸傳動系統(tǒng) 電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運動的元件 它便于實現(xiàn)自動操作 能簡化變速系統(tǒng) 給圖中齒輪裝上電磁離合器 通過傳動軸上的離合器吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線 實現(xiàn)自動變速 改造后的機床為實現(xiàn)其螺紋加工還須配置主軸脈沖發(fā)生器作為車床主軸位置信號的反饋元件 它與車床主軸同步運行 采集主軸運動時的數(shù)據(jù)信息 發(fā)出主軸轉(zhuǎn)角位置變化信號 輸入到數(shù)控系 統(tǒng)內(nèi) 再由數(shù)控系統(tǒng)通過軟件控制 以保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時 螺紋車刀也同步在縱向進給一個螺紋 并保證螺紋加工中分幾次切削時不發(fā)生亂扣 即每次螺紋切削進刀位置一致 主軸脈沖發(fā)生器一般 采用增量式光電編碼器 其安裝通常有兩種方式 同軸安裝 異軸安裝 同軸安裝方式是直接與車床主軸的后端相聯(lián)結(jié) 這種方式結(jié)構(gòu)簡單 但缺點是安裝 后不能加工穿出車床主軸孔的零件 異軸安裝方式是通過橋齒輪或同步齒形帶傳動 使 主軸與光電編碼器同步轉(zhuǎn)動 其結(jié)構(gòu)復(fù)雜 但避免了前述同軸安裝的缺點 本設(shè)計中是 采用異軸安裝方式 主軸脈沖發(fā)生器輸光學(xué)元件 安裝時應(yīng)小心輕放 不能有較大的 沖擊和振動 以 防損壞玻璃光柵盤 造成報廢 令應(yīng)注意主軸脈沖發(fā)生器的最高運行轉(zhuǎn)速 車床主軸 的轉(zhuǎn)速必須小于此轉(zhuǎn)速 以免損壞脈沖發(fā)生器 第五章 伺服進給機構(gòu)設(shè)計 伺服進給機構(gòu)的設(shè)計是普通車床經(jīng)濟型數(shù)控改造的主要部分 如果說 系統(tǒng)是CN 數(shù)控機床的 大腦 是發(fā)布 命令 的指揮機構(gòu) 那么 伺服驅(qū)動系統(tǒng)便是數(shù)控機床 的 四肢 是執(zhí)行機構(gòu) 它忠實而準(zhǔn)確的執(zhí)行由 系統(tǒng)發(fā)來的運動命令 伺服控CN 制系統(tǒng)是聯(lián)接數(shù)控系統(tǒng)與機床的樞紐 其性能是影響數(shù)控機床的精度 穩(wěn)定性 可靠 性 加工效率等方面的重要因素 第一節(jié) 伺服系統(tǒng)的組成原理和要求 一 伺服系統(tǒng)的組成原理 機床進給伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)與機床進給機械傳動機構(gòu)兩大部分組 成 機床進給機械傳動系統(tǒng)通常由減速齒輪 滾珠絲杠 機床導(dǎo)軌和工作臺拖板等組 成 對于伺服驅(qū)動控制系統(tǒng) 按其反饋信號的有無 分為開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式 對于開環(huán)伺服系統(tǒng)只能由步進電機驅(qū)動 它由步進電機驅(qū)動電源和電動機組成 閉環(huán) 伺服系統(tǒng)則分為直流電動機和交流電動機兩種驅(qū)動方式 并且是雙閉環(huán)系統(tǒng) 內(nèi)環(huán)是 速度環(huán) 外環(huán)是位置環(huán) 速度環(huán)中用作速度反饋的檢測裝置為測速發(fā)電機 脈沖編碼 器等 速度控制單元是一個獨立的單元部件 它由速度調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器以及功率 驅(qū)動放大器等部分組成 位置環(huán)是由 裝置中的位置控制模塊 速度控制單元 位CN 置檢測及反饋控制等部分組成 根據(jù)其位置檢測信號所取部位不同 它又分為半閉環(huán) 和全閉環(huán)兩種 半閉環(huán)采用轉(zhuǎn)角位置檢測裝置 安裝于滾珠絲杠端部 或直接與伺服 電動機轉(zhuǎn)子的后端相連 與伺服電動機成一體 對于全閉環(huán)系統(tǒng)需要采用直線位置檢 測裝置 安裝于機床導(dǎo)軌與工作臺拖板之間 通常伺服驅(qū)動控制單元與電動機由一個 生產(chǎn)廠家配套提供 甚至包括位置檢測裝置 二 伺服系統(tǒng)的要求 伺服系統(tǒng)是把數(shù)控信息轉(zhuǎn)化為機床進給運動的執(zhí)行機構(gòu) 為確保機床的加工質(zhì)量 和效率 機床對其伺服系統(tǒng)有 穩(wěn) 準(zhǔn) 快 寬 足 五個要求 它反映了伺服驅(qū)動 系統(tǒng)的五項性能指標(biāo) 具體的內(nèi)容如下 穩(wěn) 即穩(wěn)定性 也就是要求系統(tǒng)有較好的抗干擾性 保證電源 環(huán)境 負(fù)載等所 產(chǎn)生的波動對其影響甚小 有較硬的調(diào)速機械特性 過載能力強 穩(wěn)定性好 適應(yīng)性 好 以確保工件加工的一致性 準(zhǔn) 及準(zhǔn)確性 為確保加工質(zhì)量 除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外 還必須有較高的準(zhǔn)確定位 精度 數(shù)控機床是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令自動完成整個加工過程 它不象普通機床那樣 中間可以由操作者測量工件后再通過操縱手輪來修正加工偏差 由于數(shù)控機床是按加 工程序一次完成加工 所以進給系統(tǒng)的定位精度直接決定了工件的加工精度 這也是 考核數(shù)控機床的一項至關(guān)重要的性能指標(biāo) 通常影響數(shù)控加工精度的主要因素有 數(shù)控系統(tǒng)精度 主要取決于插補運算精度 伺服系統(tǒng)精度 機床機械精度 如主軸 刀架 工作臺回轉(zhuǎn)精度 刀具 工件裝夾精 度等 其中伺服系統(tǒng)精度起主要作用 快 即快速響應(yīng)性 機床進給伺服系統(tǒng)實際上就是一種高精度的位置隨動系統(tǒng) 它不但要求靜態(tài)誤差小 也要求動態(tài)響應(yīng)快 具體表現(xiàn)在起 停的升降速過程短 有 較高的加速度 即要求系統(tǒng)的機電時間常數(shù)小 反應(yīng)靈敏 寬 即有較寬的調(diào)速范圍 通常數(shù)控機床在實際運行中 對工作臺的進給速度要 求滿足兩項指標(biāo) 輕載快速趨近定位速度 即編程指令 的速度 切削進給速度0G 即編程指令 等后面的 值所要求的速度 01G2F 足 即有足夠的輸出扭矩或驅(qū)動功率 特別是要滿足強力切削和高速切削的要求 并且還要求系統(tǒng)有相應(yīng)的過載能力 以確保穩(wěn)定性 對進給伺服系統(tǒng)除了上述五項主要性能指標(biāo)外 也要求溫升低 噪聲小 效率高 體積小 價格低 控制方便 線性度好 如輸出速度與輸入電壓成線性 可靠性高 維修保養(yǎng)方便 對溫度 濕度等環(huán)境要求寬等等 第二節(jié) 伺服進給機構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容和設(shè) 計計算 伺服進給機構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容包括 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 橫行進給系統(tǒng)的設(shè) 計與計算 步進電機的選擇三大部分 該部分設(shè)計的總體方案示意圖如圖 5 1 所示 要使這三大部分與數(shù)控系統(tǒng)的配合達(dá)到好的效果 伺服進給機構(gòu)的改造設(shè)計部分除了 主要的三大部分內(nèi)容外 還包括與步進電動機相關(guān)的驅(qū)動電源 功率放大電路 輔助 電路 與滾珠絲杠副相關(guān)的機床導(dǎo)軌等內(nèi)容的設(shè)計選擇 圖 5 1 伺服進給機構(gòu)設(shè)計總體方案 一 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計 普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造一般是步進電機經(jīng)減速驅(qū)動絲杠 螺母固定溜板箱上 帶動刀架左右移動 步進電機的布置 可放在絲杠的任意一端 從改造方便 實用方 面來考慮 一般都把步進電機放在縱向絲杠的右端 即尾架部位 已知的條件 工作臺重量 100 1000 根據(jù)圖紙粗略計算 WkgfN 時間常數(shù) 25TmS 滾珠絲杠基本導(dǎo)程 60L 步 進 電 動 機車 床加 工 工 件 圖 紙 工 件 變 速 箱數(shù) 控 程 序編 制 變 速 箱 步 進 電 動 機手 工 輸 入 或 計 算 機 控 制 計 算 機功 率 放 大 器存 儲 裝 置 行程 600Sm 脈沖當(dāng)量 0 01P step 步距角 0 750 最大進給速度 2maxvin 1 切削力計算 由 實用機床設(shè)計手冊 可知 切削功率 5 1 cNk 電機功率 11Nw 主傳動鏈的總效率 取 0 90 進給系統(tǒng)的功率系數(shù) 取 0 96kk 則 11 0 90 0 96 9 504 cNkw 又因為 5 2 6120vF 則 5 3 zvc 切削線速度 取 v 100 所以 vmin 581 64 kgf 5700 zFN 由 金屬切削原理 可知 主切削力 9 81zZFCZXPaFYfZK 查表得 188 1 0 75 1Z2 mkgf ZFZFK 計算 如下 zF maP 2 2 2 3 3 3 mf0 2 0 3 0 4 0 2 0 3 0 4NFz 1103 1 1495 2 1855 2 1654 7 2242 8 2782 9 當(dāng) 1495 2 時 切削深度 2 走刀量 0 3Pamfm 以此參數(shù)作為下面計算的依據(jù) 從 實用機床設(shè)計手冊 中可知 在一般外圓 切削時 0 1 0 6 xFzF 0 15 0 7 y 0 5 0 5 5700 2850 xz N 0 6 0 6 5700 3420 yF 2 滾珠絲杠設(shè)計計算 滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化 因此滾珠絲杠副的設(shè)計歸結(jié)為滾珠絲杠副型號的選擇 綜合車床導(dǎo)軌絲杠的軸向力 5 4 P WFfKzx 式中 由于上選用的是矩形的導(dǎo)軌 根據(jù) 機床設(shè)計手冊 查出 1 1 0 15 f 則 1 1 2850 0 15 5700 1176 4166 4 PN 1 強度計算 壽命值 5 5 iL610iTn 所以 5 6 i0f主 0Dvf 取工件直徑 80Dm 查表得 15000 自動控制機床及機床通常的取值 iTh 所以 20 r min in68014 3 18iL52 最大動載荷 5 7 QHWifp3 表 5 1 運轉(zhuǎn)系數(shù)值表 運轉(zhuǎn)狀態(tài) 運轉(zhuǎn)系數(shù) fW 無沖擊的圓滑運轉(zhuǎn) 1 0 1 2 一般運轉(zhuǎn) 1 2 1 5 有沖擊的運轉(zhuǎn) 1 5 2 5 表 5 2 硬度系數(shù)表 硬度 HRC 60 57 5 55 52 5 50 47 5 45 42 5 40 30 25 硬度 系數(shù) fH 1 0 1 1 1 2 1 4 2 0 2 5 3 3 4 5 5 0 10 15 查表取 運轉(zhuǎn)系數(shù) 1 2Wf 硬度系數(shù) 1H 13767 26 Q12 643718 N 根據(jù)最大動載荷 的值和原機床參數(shù) 選擇滾珠絲杠的型號 BFZD 5406 即內(nèi)循環(huán)浮動返向器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副 公稱直徑為 40 導(dǎo)程為 6m 滾珠列數(shù)為 5 列 精度等級為 級 一般數(shù)控機床精度等級為 級 額定動mB 載荷為 26000 N 表 5 3 型滾珠絲杠具體參數(shù) 406FZD 公 稱 直 徑 基 本 導(dǎo) 程 鋼 球 直 徑 絲 杠 大 徑 軸 端 直 徑 額 定 載 荷 KN0dhPwdd 動 載 荷aC靜 載 荷 aC0剛度 40 6 4 38 9 3 5 26 84 2220 螺 母 安 裝 連 接 尺 寸 D D3 4B 5D6h 7DM T E L1 L2 60 94 75 15 9 15 9 48 M6 3 6 68 128 因為 26000 13767 26 所以強度不成問題 N 2 效率計算 根據(jù) 機械原理 的公式 絲杠螺母副的傳動效率 為 5 8 tg 式中 摩擦角 螺旋升角 10 023 0 953 10253 tg 3 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負(fù)載 引起導(dǎo)程的變化量 P 5 9 0L EF0 式中 6 0 60mc 20 6 106 N 滾珠絲杠截面積 F 3 14 12 56 102 2 d24cm 則 0L 26105 2437 10 15 10 8 cm 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 很小 可以忽略 即 2L L 1 所以導(dǎo)程變形總誤差 為 5 10 L01 即 16 92 8105 6 m 查表知 級精度絲杠允許的螺距誤差 1 長 為 25 故剛度足夠 B 4 穩(wěn)定性驗算 根據(jù)公式 FK fk 2EI KL2 F max 5 11 式中 fk 2 雙推 簡支 20 6 10Pa E I 12 56 cm4 416d 4 K 4 L Ls 35d1 35 4 140 cm Ls 為絲桿長度 FK 2 3 142 2 06 107 12 56 4 1402 88577 F max 6286 5 故穩(wěn)定性也沒有問題 3 齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算 1 有關(guān)齒輪計算 傳動比 5 12 iPL 360 則 1 25i01 3675 故取齒輪齒數(shù) 32 401z2z 模數(shù) 2 20 200mbm 分度圓直徑 2 32 64 1dz 2 40 80 2 齒頂圓 68 1a1ah 84 2d2m 72 1d 8064 2 轉(zhuǎn)動慣量計算 工作臺折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 5 13 1JWP280 即 100 0 468 4 68 1 275 43 kg2cmN2cm 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 7 8 10 4 5 14 sJ14LD 式中 絲杠的名義直徑 4 0Dc 絲杠兩固定端的間距 1501L1m 所以 7 8 10 4 44 150 29 952 299 52 sJkg2N2cm 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 7 8 10 4 4 2zz 7 8 10 4 6 44 2 617 1 2c 26 17 N2cm 7 8 10 4 84 2 6 39 63 9 zJkg2mN2c 電機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略 因此 總的轉(zhuǎn)動慣量 5 14 J 221zsJi 1z 2 617 0 46839 65 26 343 263 43 kg2cmN2cm 3 所需轉(zhuǎn)動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩 5 15 M0maxf 最大切削負(fù)載時所需力矩 5 16 tft 快速進給時所需力矩 5 17 0f 式中 空載啟動時折算到電動機軸上的加速度力矩 max 折算到電動機軸上的摩擦力矩 fM 由于絲杠預(yù)緊所引起 折算到電動機軸上的附加摩擦力矩 0 切削時折算到電動機軸上的加速度力矩 at 折算到電機軸上的切削負(fù)載力矩 t 10 4 5 18 aMTJn6 9Nm 式中 為時間常數(shù) 25 10 3 S 當(dāng) 時 nmaxax 5 19 n0mLiv 即 416 67 ax625 1 min r 10 4mM30 97 4 45 736 457 36 Nmkgfcm 當(dāng) 時 ntaMt 5 20 tn0Lfi主 01Dvfi 24 88 t 684 325 min r 10 4at 31092 0 273 2 73 Nmkgfc 5 21 fMiLF 20iWf0 當(dāng) 0 8 0 16 時 f f 25 1804 326 1 529 15 29 kgfcmNc 5 22 0M 201 iLP 當(dāng) 0 9 時預(yù)加載荷 P0 0 xF3 0iLFx 6 1 20 1 724 17 24 25 184 3 9 5 kgfcmNc 5 23 tMiLFx 0 即 27 25 272 5 t 25 1804 326 kgfcmNcm 所以 快速空載啟動所需力矩 M0maxf 45 736 1 529 1 724 48 898 488 98 kgfcNc 切削時所需力矩 tfat M 0 45 736 1 529 1 724 27 25 76 239 762 39 kgfcmc 快速進給時所需力矩 M0f 1 529 1 724 3 253 kgfcm 32 53 Nc 由以上分析計算可知 所需最大力矩 發(fā)生在快速啟動 max 457 36 45 736 maxMkgfcNcm 二 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 普通車床經(jīng)濟型數(shù)控改造的橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計相對比較簡單 一般是步進電機 經(jīng)減速后驅(qū)