C6132縱向進給運動系統數控改造設計解讀

1、C6132縱向進給系統數控改造設計.、八、-1刖言42設計的內容及任務 53總體方案53.1數控系統的選型 53.2伺服系統的改造設計 63.3機械結構的改造設計 63.4編碼盤的選用和安裝 73.5電氣控制系統的改造設計 73.6液壓系統的清潔和維護 84數控系統的選擇85機械本體部分的數控化改造與設計計算 1005.1進給系統的傳動方式及絲桿類型選擇 1005.1.1 傳動方式 1005.1.2滾珠絲桿的選擇 1115.2滾珠絲杠副精度等級確定 1225.3滾珠絲杠的潤滑、防護、密封 1225.4機械本體改造和設計計算 1225.4.1縱向機械傳動部分的數控化改造和設計計算 122542滾

2、珠絲杠設計計算 133543滾珠絲杠的選型 14544滾珠絲杠的驗算 145.4.5 確定齒輪傳動比 165.4.6 齒輪間隙的調整環(huán)節(jié) 165.5滾珠絲杠的支撐與軸承選用 175.5.1滾珠絲杠支撐形式的選擇 175.5.2滾珠絲杠軸端的形式 186伺服系統的改造設計 206.1控制系統的選擇 206.2縱向步進電機的計算與選擇 216.2.1負載轉動慣量計算 216.2.3步進電機的選擇6.3驅動器的選擇23232526266.2.2 各種工況下轉矩計算 227編碼器的選用和安裝 257.1觀點編碼器的選用7.2 編碼器的安裝 8.1電氣控制系統概述 8電氣控制部分的改造設計 268.2

3、C6132車床電氣化控制系統的數控化改造設計 279液壓系統的清潔與維護 28299.1清潔程度對液壓系統的影響9.2液壓系統清潔與維護措施 2910改造小結29參考文獻30致謝31241前言目前我國機床主要是臥式車床，與發(fā)達國家相比，型號陳舊，技術水平落后，嚴 重影響了生產的發(fā)展。采用先進的數控車床，已成為當今世界制造業(yè)的發(fā)展趨勢。鑒 于國內制造業(yè)中普通機床的占有率較高，提高車床數控化率有兩個可行的途徑，一是 購置新的車床；二是把臥式車床改造成數控車床。根據國內目前的經濟狀況，花大量 的資金更換全新的數控車床花費過高，給企業(yè)造成的經濟負擔較大，同時報廢大量的 普通機床是一個很大的浪費。因此，

4、各企業(yè)可根據自身的情況，酌情進行數控化率的 提高，可以購置一批精度高、性能強的數控化車床，或數控化改造一批尚有一定精度 的臥式車床。C6132車床改造屬于經濟型數控車床的改造，主要針對進給系統進行數控化改造， 利用數控系統對縱向和橫向進給系統進行開環(huán)控制，驅動元件采用步進電動機，通過 步進電動機帶動滾珠絲桿轉動。數控化改造后的機床，能對縱向和橫向進給運動進行 數字控制，并要求達到縱向最小運動單位為 0.01mm/脈沖，橫向最小運動單位0.005mm/ 脈沖，刀架為自動轉位刀架，經改裝后的機床能實現加工外圓、錐度螺紋、端面等的 自動控制。數控化改造提高了原機床的生產速度，降低了勞動強度，同時縮短

5、了生產 周期，提高了產品質量和生產率。數控化改造后具有如下幾個優(yōu)越性：1、數控化改造提高了加工精度和生產率。2、數控化改造提高了機床的性能和質量， 加工出原機床難以加工或者不能加工的 復雜軸類零件。3、 機床數控化改造后可以實現加工的柔性自動化，效率可比原機床提高3倍。4、機床數控化改造后擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自檢功能，更好 地調節(jié)了機床加工狀態(tài)，還可以提示操作機床故障或編程錯誤等機床運行中出現的問 題。2設計的內容及任務機床的數控化改造主要應用了現代成熟的數控技術和經驗，以適應生產的具體要 求為目的，改變現有機床的結構，給舊機床換上新部件、新裝置和新附件，提高現有 機床的技術

6、性指標，使之全部或局部達到新數控機床的水平。這次設計的任務是：數控化系統的選型，伺服系統、機械傳動系統、電氣系統數 控化改造和液壓部分的維護以及繪制相關圖樣。要求改造車床具有一般數控車床的性 能，精度要達到縱向最小單位為 0.01mm步，橫向最小運動單位為 0.005mm步。設計 內容包括：數控系統的選型，伺服系統、機械系統和電氣系統的數控化改造設計，自 動回轉刀架和編碼盤的選型與改裝，以及液壓系統的清潔與維護。數控系統方面，考 慮到直流伺服電動機的價格昂貴，采用步進電動機驅動的開環(huán)控制系統，而在機械系 統的改造方面，采用步進電動機-減速齒輪-滾珠絲杠螺母副-小滑板的傳動方 式。3總體方案臥式

7、車床進行數控化改造，可以顯著提高機床性能和減輕操作者勞動強度。而合 理選擇數控系統和改造方案，可保證改造效果和降低成本?？紤]具體的改造方案時， 基本原則是在滿足使用要求的前提下，對機床的改動盡可能少，以降低成本。C6132車床總體改造方案為：增配車床數控系統，更換進給運動的滑動絲桿傳動為滾珠絲桿 傳動，采用步進電動機驅動進給運動，加裝編碼器，配置自動回轉刀架實現自動換刀。具體的改造主要從數控系統的選擇、伺服系統的改造設計，機械結構的改造設計、 自動回轉刀架的選擇設計、編碼盤的選用和安裝、電氣系統的改造設計、液壓系統的 清潔與維護等幾個方面來進行，通過改造使其具有數控機床的一般特性。下面就從各

8、個部分來具體闡述這次的設計方案。3.1數控系統的選型在選擇數控系統的型號時，要考慮 C6132機床適用于各類機械工廠的單件、中小 批量、生產使用，加工精度可達IT7級，且要求C6132車床加工復雜零件，所以數控 系統選擇連續(xù)型數控系統，已滿足數控化改造后機床的定位、插補、循環(huán)加工和螺紋 加工等功能。國產機床如廣州數控設備廠的 GSK980TA數控系統，其為兩軸聯動，功能比較齊全，性能穩(wěn)定， 價格便宜，一般用于經濟型的數控機床。 選擇數控系統時應該盡量向同一個廠家的型號靠攏，這樣既有利于維修和管理，也有利于備件的購買。在改造中可以考慮有類似特點的數控裝置。3.2伺服系統的改造設計在普通機床的數控

9、化改造系統中一般采用步進電機和交流伺服交流電動機。交流 伺服電動機調速方便，體積小，目前廣泛用于數控機床的傳動系統。與步進電動機相 比，其精度高、價格昂貴，考慮到改造本身是經濟型改造，因此一般選用步進電機作 為驅動裝置。步進電機采用脈沖數字信號進行改造，每轉一轉步距誤差自動變?yōu)榱悖?能方便地實現調速以及定位，改變各相繞組的接通次序即可實現正反轉，易于控制， 且價格低廉，數控車床上大多使用反應式步進電機。在需要快速移動大距離的條件下， 應選擇轉動慣量小、運行頻率高、價格較低的反應式步進電機。經全面考慮，在C6132的數控化改造中，選用反應式步進電機作為縱向和橫向的 進給驅動。理由是：該系統控制方

10、便，由數控系統送出的步進指令脈沖，經驅動電路 控制和功率放大后，是步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠服驅動執(zhí)行部件。只要 控制指令脈沖的數量、頻率以及通電順序，便可以控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度 和運動方向。該系統結果簡單，易維修，性價比高；考慮改造后的C6132機床的精度要求（數控化改造后縱向精度為0.01mm/不，橫向精度為0.005mm步），加工精度要求 不算太高，為簡化結構、降低成本，故選擇步進電機驅動的開環(huán)控制系統。3.3機械結構的改造設計在機械結構的改造設計中，主要針對原車床的進給系統進行數控化改造，主傳動 系統中保留C6132車床的主軸機械部分和三相交流電動機 YD132M-4

11、B5TH只是在與主 軸同步旋轉的軸上，加裝一個脈沖編碼器，實現螺紋的數控加工。在進給傳動系統中，數控系統對縱向、橫向進給系統進行開環(huán)控制，驅動元件采 用步進電機。進給傳動機構如圖1-1所示，縱向和橫向均采用步進電動機-減速齒輪 -滾珠絲杠螺母副-床鞍（或中滑板）的傳動方式。分別在 X軸和Z 軸的步進電 機輸出軸端配置減速器，減速器由一對嚙合齒輪組成，通過減速器齒輪傳動，由滾珠 絲杠副把動力傳給床鞍，從而帶動托板的移動。為實現機床所需的分辨率，采用步進 電機經齒輪減速再傳動絲桿，同時為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力， 選用滾珠絲桿螺母副。改裝時先拆除原機床的進給箱、溜板箱、光桿和絲桿

12、，再換上 滾珠絲杠（安裝在原絲桿的部位）。在本設計中滾珠采用循環(huán)插管式、 雙螺母墊片預緊、 導珠管埋入式、精度等級為3級，型號為JCS-CDM系列滾珠絲桿副。此外，為提高傳 動剛度和消除間隙，齒輪傳動要采用消除齒側間隙的結構。124圖1-1進給傳動機構1步進電機 2齒輪減速裝置3支承裝置4絲杠5 床鞍A 、B齒輪3.4編碼盤的選用和安裝機床能否進行螺紋加工是主軸部分數控化改造的重要部分，所以在原來車床上需加一個脈沖編碼器，才能實現自動加工螺紋的目的。在經濟型數控車床上加工螺紋或絲桿時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，即編碼盤作為 車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉動，發(fā)生主軸轉角位置變化信

13、號， 輸送到數控系統，數控系統按照所需加工的螺距進行計算處理，從而控制機床縱向或 橫向步進電機，實現加工螺紋的目的。所以進行C6132的數控化改造設計時，決定在主傳動系統中加裝一個光電碼盤。結合脈沖編碼器每轉進給脈沖數（即分辨率）對螺紋的加工范圍，再結合環(huán)境特性， 并根據機床主軸轉速不允許超過主軸脈沖發(fā)生器的最高須用轉速的原則，初步選擇長 春三峰傳感技術有限公司生產的常規(guī)型實心軸光電編碼器PIE系列編碼器。該系列編碼器經濟適用，力矩小，多規(guī)矩，適應多種數控設備其最高許用轉速為5000r/min，遠大于車床主軸最高轉速2000r/min。3.5電氣控制系統的改造設計在電氣控制系統中的改造設計中，

14、應該遵循：在滿足控制要求的前提下，設計方案 力求簡單、經濟，不宜盲目追求高標準和高指標，力求控制系統操作簡單、使用與維 修方便。機床中的主軸電動機、冷卻泵電動機、刀架電動機等均需要系統自動控制。 C6132車床改造后的電氣控制線路由電源電路、主電路、控制電路和CNCg制器等，主要增加的電器元件包括主軸編碼器、X/Z軸驅動器、電動刀架控制器以及必要的控制開 關、繼電器等。改造后拆除原電控箱，原位安裝改造后的電控柜，最后還需電氣、機 修人員共同進行通電調試。數控機床中電氣控制系統除了對機床輔助運動和輔助動作控制外，還包括對保護開 關、各種行程、極限開關的控制，以及在操作盤上所有按鍵、操作指示燈等的

15、控制。改造后的電氣控制系統，不僅保留了傳統控制系統的優(yōu)點，同時具有體積小、功能 強、通用性和靈活性強、使用維護方便等優(yōu)點。3.6液壓系統的清潔和維護在車床數控化改造中一般不需要對機床原來的切削液系統進行改造。用數控系統上的切削液接口與液壓系統的電路連接，通過 CNC空制，實現切削液的自動開關。此外， 液壓系統的清潔程度對液壓元件和液壓系統的平穩(wěn)、準確運行有著非常重要的影響。對C6132車床進行數控化改造后，還要仔細檢查液壓元件，如果發(fā)現又已經磨損、 老化的元件，如過濾器、空氣濾清器、密封圈等，則需要更換，確保液壓元件能正常 工作，從而保證整個車床系統能正常運行，實現數控車床的性能和加工特點。在

16、檢查、 更換、維護后對液壓系統循環(huán)過濾，清洗整個系統。4數控系統的選擇根據改造后的C6132機床精度要求（數控化改造后縱向加工精度為 0.01mm橫向加 工進度為0.005mm，加工精度要求不算太高，所以可以選擇步進電機驅動的開環(huán)控制 系統。綜合考慮性價比，在充分調研比較的基礎上并根據改造的目的，本方案選用廣州數 控設備廠生產的GSK980TA車床數控系統，廣州數控設備廠同時生產與該數控系統相匹 配的驅動器，從而有利于維修和管理。 GSK980TA數控系統采用先進的開放體系結構， 性價比高，屬于連續(xù)切削控制系統，具有以下特點：（1） 、該系統采用16bit高速微處理器（CPU和超大規(guī)模可編程門

17、陣列（CPLD 進行硬件插補，實現高速微米級控制。（2）、全封閉式裝置，集成度高，整機工藝結構合理，抗干擾能力強，可靠性高。（3） 、直線型、指數型加減速方式，可配套步進電機、伺服電機，應用靈活。（4）、可變電子齒輪比，應用方便。（5）、320*240點陣圖形式液晶顯示。（6）、中文、英文菜單，界面友好，操作方便。GSK980TA勺車床數控系統技術參數見表 2-1表2-1GSK980TA勺車床數控系統技術參數控制軸：X、Z兩軸最小指令單位：0.001mm插補方式：X、Z兩軸直線、圓弧插補運指令范圍：+9999.999mm最高快速速度：7600mm/mi n動-9999、999mm3000mm/

18、mi n（選配）插 補 方 式最高進給速度：直線7600mm/min （電子齒輪為1:1時）每轉進給：0.001500mm/r （需安裝1024p/r主軸編碼器）進給倍率：0%150十六級實時調節(jié)快速倍率：F0、25% 50% 100%5級加減方式：直線型快速加減速，指數型進給加減速，參數可調1電子齒輪比：（1127）/ （1127）電子手輪功能：有顯示界面顯示器類型：320X240點陣式藍底液晶（LCD, CCFL背光顯示方式：中文菜單圖形顯示功能：有G功能共23種G指令，包含3種單一固定循環(huán)指令和7種復合循環(huán)指令； 8種用戶宏指令可讀、寫，最多16位點輸出。二重子程序調用，用戶宏程序調用螺

19、紋功能米制/英制單頭直螺紋、錐螺紋及米制/英制端面螺紋，螺紋退尾長 度可設定螺紋螺距：0.001500mm（米制）;0.060254000.000 牙/in （英制）主軸編碼器：1024p/r增量式編碼器補償功能反向間隙補償：X、Z軸螺距誤差補償：X、Z軸（選配）刀尖半徑補償：X、Z軸刀具補償：16組刀具長度補償刀具功能適配刀架：最大設定8工位電動刀架（可選12工位刀架功能，就 近選刀，無卡盤，尾座控制功能）刀位信號輸入方式：直接輸入換刀方式：MDI自動絕對換刀或手動相對換刀，正轉換刀，反轉鎖 緊對刀方式：定點對刀，試點對刀刀補執(zhí)行方式：移動刀具，坐標偏移（可通過參數設定）主軸功能控制方式：可

20、設置為4檔位控制或模擬控制檔位控制：S1、S2、S3 S4直接輸出模擬控制：可設置四檔主軸自動或手動換擋，輸出010 V電壓控制主軸轉速恒線速切削功能：有輔助功能手動/MDI/自動控制主軸正轉、反轉、停止；切削液啟停；潤滑啟 停；卡盤夾糸/松開；尾速進退；MDI/自動方式可控制主軸變頻自 動換擋程序編輯程序容量：40kb、63個程序子程序：可編程通信RS232通信接口為標準配置；可選配通信功能，提供通訊軟件及通 信電纜，與PC機雙向傳送程序抗干擾能 力符合 GB/T 17626.2 2006 的要求適配部件開關電源：GSK PB（配套提供，已安裝連接）驅動裝置：DF3A系列三相反應式，DY3B

21、系列三相混合式，DA98系 列交流伺服刀架控制：GSK TB裝配形式標準面板，大面板，箱式一體化（配DF3A系列或DY3E驅動裝置）下出線，一體化后出線外形尺寸(420mrM260miX 136mm / (420miX260miX 136mrh (小/ 大)質量6.00kg （含開關電源）5機械本體部分的數控化改造與設計計算5.1進給系統的傳動方式及絲桿類型選擇5.1.1傳動方式機械部分傳動機構示意圖如圖 3-1所示和3-2所示。橫向和縱向均采用步進電機 減速齒輪一滾珠絲桿螺母副一溜板的傳動方式。為實現機床所需要的分辨率，采用 步進電機經齒輪減速再傳動絲桿，同時為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡

22、量減少摩 擦力，選用滾珠絲桿螺母副。在本設計中采用循環(huán)插管式、雙螺母墊片預緊、導柱管 埋入式、精度等級為3級，型號為JSC-CDh系列滾珠絲桿副。此外,為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結構，齒輪傳動也要采用 消除齒側間隙的結構。在 X軸和Z軸的步進電機輸出軸端配置減速器，減速器由一對 嚙合齒輪組成，使減速器輸出軸通過連接套與滾珠絲桿直接相連，由滾珠絲桿副把動 力傳給工作臺帶動工作臺的移動。圖1-2 橫向傳動機構示意圖1步進電機 2齒輪減速裝置3支承裝置4絲杠 5 中滑板 A 、B齒輪45圖1-3縱向傳動機構示意圖1步進電機 2齒輪減速裝置 3支承裝置4絲杠 5 床鞍A 、B齒輪5.1

23、.2 滾珠絲桿的選擇關注絲杠副作為精密、高效的傳動元件在精密機床、數控機床得到廣泛應用，在機 械工業(yè)、交通運輸、航空航天、軍工產品等各個領域應用得很普遍，可用作精密定位 自動控制、動力傳遞和運動轉換。1）、滾珠絲杠副傳動的特點。滾珠絲杠副傳動與滑動絲杠傳動相比有以下優(yōu)點：傳動效率高。一般可達95%以上，是滑動絲杠傳動的24倍。0運動平穩(wěn)，摩擦力小，靈敏度高，低速無爬行?？梢灶A緊、消除絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度。0定位精度和重復定位精度高。使用壽命為普通滑動絲杠的410倍，甚至更高。同步性好，用幾套相同的滾珠絲杠副同時傳動幾個相同的部件或裝置時，可獲得 較好的同步性。使用可靠，潤滑簡單，維修

24、方便。不自鎖，可逆向傳動，即螺母為主動，絲杠為被動。旋轉運動變?yōu)橹本€運動。有專業(yè)廠生產，選用配套方便。5.2滾珠絲杠副精度等級確定查參考文獻得出，在車床數控化改造中可選用3級精度的滾珠絲杠。表2-2為滾珠絲杠推薦應用精度等級。機床類型坐標精度等級1 2 3 4 5 7 10數控機床XZV V5.3滾珠絲杠的潤滑、防護、密封潤滑：滾珠絲杠必須潤滑。滾動軸承用的各種潤滑劑原則上都要可以用。主軸的 各種潤滑劑和潤滑方式都可以用于精密滾珠絲杠。一般情況下采用鋰基潤滑脂，在高 速和需要嚴格控制升溫時，可用 LAN32全損耗系統用油、汽輪機油循環(huán)潤滑或噴霧 潤滑。（2）防護和密封：絲杠防護套有伸縮套管式、

25、折疊套管式和螺旋鋼帶保護套。后者有 專業(yè)廠生產，應用較廣，所以選用螺旋鋼帶保護套。5.4機械本體改造和設計計算5.4.1縱向機械傳動部分的數控化改造和設計計算已知條件： 工作臺重量（床鞍重量+中滑板重量+電動刀架）：G=800N 時間常數：T=25ms滾珠絲桿基本導程：p0 =6mm最大行程：S=650mm脈沖當量：S p=0.01mm/步步角距：a =0.75./步最大進給速度：Vmax =2m/mi n縱向最大進給速度：fmax =0.6m/min1）切削力的計算。由機床設計手冊可知，切削功率可由式（2-1 ）求的。其中，P查機床說明書，可知P=4.5kw; n 一般為0.750.85，取

26、n =0.8 ; K=0.96，則Pc=4.5 X 0.8 X 0.96kW=3.456kW切削功率應按在各種加工情況下，經常遇到的最大切削力（或轉矩）和最大切削轉速(或轉速)來計算，即由式(2-3)計算。設按照最大切削速度來計算，取v=100m/min,貝U主切削力由式(2-3)求得:N=60 3.456 103100N=2073.6N由機床設計手冊可知，在外圓車削時:Fx=( 0.10.55)Fz，Fy=( 0.150.65)Fz取縱向切削力分力Fx=0.5 FZ，橫向切削力分力Fy=0.6 Fz，則Fx =0.5 X2073.6N=1032。80NFy =0.6 X2073.6N=124

27、4.16N5.4.2 滾珠絲杠設計計算滾珠絲杠的選型方案。(a) 螺紋滾道型面的選擇：單圓弧型面、雙圓弧形面。要求：經濟、易調試、穩(wěn)定方案：選用雙圓弧形面。原因：雙圓弧形面接觸角不變，雙圓弧交接處尚有小空隙可容納一些贓物，這 對滾珠絲杠有利而不致堵塞。(b) 滾珠循環(huán)方式：內循環(huán)、外循環(huán)。方案：選用外循環(huán)。原因：結構簡單、工藝性優(yōu)良、適合成批生產、經濟實用，適用于重載荷傳動、 高速驅動及精密定位系統，是目前應用最廣泛的結構。(c) 軸向間隙的調整和預緊力得選擇：墊片式、螺紋式、齒差式。要求：經濟可靠、易拆裝、剛度高。方案：選用雙螺母墊片式預緊。原因：結構簡單、裝卸方便、剛度高。滾珠絲杠副已經標

28、準化，因此，滾珠絲杠副的設計歸結為滾珠絲杠型號的選擇。計算作用在絲杠上的最大動載荷 C( N)。首先根據切削力和運動部件的重量引起 的進給牽引力，計算出絲杠的軸向載荷，再根據要求的壽命計算出滾珠絲杠副應能承 受的最大動載荷C。(a) 工作負載Fm?？筛鶕C床設計手冊中的進給牽引力的實驗公式計算，縱 向為三角形導軌，可由式(2-5 )計算得到，貝Fm =1.15 X 1036.80+0.16 X( 2073.6+800) N=1652.096N(b) 滾珠絲杠的轉速n。可由下式計算(c)11000 - f2Pomax1000 0.5 0.66r/min=50r/m in絲杠壽命t由下式求得60n

29、T60 50r=45萬r(d) 絲杠工作的最大動載荷C?？捎墒?2-6)求得，其中fW =1.2 , fH =1，則C =3 45 1.2 1 1652.096萬二 7051.595萬5.4.3滾珠絲杠的選型根據CZ ca的原則。是選取的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷。查 機械零件設計手冊，由于導程為6mm所以選取滾珠絲杠的型號為 CDM3206-5工 程直徑為32mm其額定動載荷是26250N7051.595N故強度夠足夠。CDM3206-5表示 外循環(huán)插管式、雙螺母墊片式預緊、導程管埋入式的滾珠絲杠，其為右旋螺紋，載荷 鋼球為5圈，精度為3級的定位滾珠

30、絲杠副。具體參數見表 2-3.表2-3 CDM3206-5型滾珠絲杠具體參數工程直 徑mm基本導 程mm鋼球直徑mm絲杠外徑mm螺紋底徑mm額疋動載何接觸剛度N/umd0P。Dwd1d2動載 荷Ca靜載 荷Ga3263.96931.527.126250766311839螺母安裝連接尺寸/mmDDD3D4BD5D6r hLL1CAM60-90751371271365473M65.4.4滾珠絲杠的驗算效率計算。根據機械原理，絲杠螺母副的傳動效率0可由下式求得。其中， =10； tan 丫二螺距/ (二X工程直徑)，丫 = 3025 ,則：科 tan ；tan3025- _00 廠=0.953tan

31、( ) tan (3025 10)剛度驗算。滾珠絲杠工作時受到軸向力和轉矩的作用時，將引起基本導程P0的變化。但由于滾珠絲杠受扭時引起的導程變化很小，可以忽略不計，所以工作負載引起的導程變化量/ Po可由式下求得，其中 E=20.6X 104 Mpa(20.6 X 106N/cm); A按絲杠螺紋底徑確定 d，若 d=2.71cm, A上X2.712cm=5.765cmi; P=6mm=0.6cm 則: 4Fm F01652.096 0.6-6/ P= m 0 =6cm=+8.34X 10 cmEA20.105.765一“ +”用于拉伸，“-”用于壓縮時。滾珠絲杠受轉矩引起的導程變化量 / P

32、很小，可以忽略，即：/ R=/ R,所以導程變形總誤差/ Fa可由下式求得。查機床說明書可知，Pa =650mm=65cm則:/ Pa= P總也P0 =竺 X8.34X 10-6um=13.55umP00.4有說明書可知，絲杠縱向有效行程為 650mm且絲杠精度等級為3級，查機械零件設計手冊，縱向行程允許的行程變動量為16umCDM3206-的/ Pa為13.55um Fmax。有式計算Fk。其中，E=20.6X 104Mpa(20.6X 10-4N/cnf);L 查機械零件設計手冊可得，L=1200mm=120qmfK查質料得，fK =2 (雙推-簡支);I按絲杠的螺紋底徑確定，d=2.71

33、cm，二4匸 d4 =2.646 cm4，貝U：64Fk =(2 X3.142.06X 107X2.646)/(4 X 1204)N=18660.5N Fmax=6286.5N故穩(wěn)定性沒有問題。545 確定齒輪傳動比可由式計算。其中，.p=0.01mm步；參考實用微電機手冊，初選入=0.75.; Po為 滾珠絲杠導程，Po=6mm則：i=弩二 0.75漢6 fa360、p 360 0.01當傳動比i1時，進給傳動為減速傳動；當ii2,最好為1.02.0。為簡化其結構，均采用一級齒輪傳動，其從動齒輪孔與絲桿軸頸項配合，主動齒 輪孔與步進電機輸出軸相配合，步進電機用固定板安裝在機床上。故可取齒輪齒

34、數：乙=32，Z2=40。齒輪的材料采用40Cr,調質處理，精度等級取7級，前后軸承選用8042型流動軸 承。齒輪傳動時，效率n i=0.98。模數：查機械設計手冊單行本齒輪傳動中表16.2.3，根據優(yōu)先選用第一系列的原則，因進給運動齒輪受力不大，取模數m=2m。齒寬：根據經驗，取齒寬（610）m,這里取10m得齒寬b=20mm壓力角：a =20分度圓直徑由式求得，分別為：d1= Z1 X m=32K 2mm=64mmd2=Z2 X m=4X 2mm=80mm中心距由式可得:mm= 76mmm(Z1 Z2)2 (32 40)a=2 25.4.6 齒輪間隙的調整環(huán)節(jié)為了提高傳動精度和傳動平穩(wěn)性，

35、避免齒輪再傳動中產生沖擊和噪聲，對于縱向、橫向 齒輪都需要設計中心距的調整機構。由于主、從動齒輪在制造過程中不可避免的存在著加工誤差，為使這一對相互嚙合的 齒輪在安裝后的中心距達到標準中心距，采取如下措施。如圖2-5所示，主動輪安裝在步進電機1的軸上，而步進電機1的端部用螺釘與偏心輪聯接，偏心套 2裝在箱體 上，轉動偏心套（這時步進電機連同主動輪 4一起傳動），從而可以調整主、從動輪之 間的中心距。圖2-5偏心軸套式結構1步進電機2 偏心套3箱體4主動齒輪5.5滾珠絲杠的支撐與軸承選用5.5.1滾珠絲杠支撐形式的選擇為了滿足高精度、高速度進給系統的需要，除了應用高精度、高速度的滾珠絲杠副外，還

36、必須充分重視支撐的設計，注意選用軸向剛度高、摩擦力小、運行精度高的軸 承。絲杠一端安裝兩個深溝球軸承或角接觸球軸承或圓錐滾子球軸承的稱為固定支承（Qo安裝一個深溝球軸承或角接觸球軸承或圓錐滾子球軸承的稱為鉸支撐（ J）；螺 母相當于固定支撐（G）。絲杠的支撐方式有兩端固定（G-G）, 一端固定、一端鉸支（G-J）, 一端固定、一端自由（G-Z）,兩端鉸支（J-J ）,幾種。數控機床的進給系統要獲得較 高的傳動剛度，除了加強滾珠絲杠螺母本身的剛度之外，滾珠絲杠正確的安裝和精度。 通常都適當加大和機床結合部件的接觸面積，以提高螺母座的局部剛度和接觸強度， 新設計的機床在工藝條件允許時，常常把螺母座

37、或支撐座與機床本體做成整體來增大 剛度。1）支承形式。采用一端固定、一端鉸支（G-J）的支承形式，其特點如下：需要保持螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜，工藝困難。（2）壓桿穩(wěn)定性和臨界轉速高。絲杠有熱膨脹的余地。2適用于較長的臥式安裝絲杠。5.5.2滾珠絲杠軸端的形式滾珠絲杠采用一端固定、一端鉸支的支承形式。下面詳述這兩種支承方式的軸端形 式及尺寸。JE/T3162.4-1993規(guī)定了公稱直徑為1663mm負荷鋼球圈數不大于 5圈的滾珠絲 杠固定式軸端形式及尺寸，形式和尺寸分別見表2-14和圖2-6.ai-t圖2-6固定式軸端形式表2-14 公稱直徑1663mm勺滾珠絲杠固定式軸端形式及尺寸公

38、 稱 直 徑 do軸端部尺寸dMd1L1L2L鍵槽螺紋代號(6h或6g)寬度1深度t長度1公稱直徑(N9)公稱尺 寸(H14)20M14K1.51260/7118111/12242.5o+o.12532r M20K 1.51672/8726139/1545 :3.0 0+0.132 n軸端部尺寸e軸端內八角軸端外六角軸承型號8SWWeS2mSX H2.55.72-c+0.09550 -0.025.86.5111.0 -0.205.717X 227602015TN46.86+0.0956.0 -0.027.38.015.714-0.241327X 307603020TN3)滾珠絲杠鉸接式軸端形式

39、。滾珠絲杠鉸接式軸端形式和尺寸分別見表2-15和圖2-7所示。圖2-7 鉸接式軸端形式表2-15滾珠絲杠鉸接式軸端尺寸工程直徑軸端部尺寸軸承型號d1d2L1mL201514.3141.10+0.1415803023220r 1915.8 :1.1 0+0.141780304(2)滾珠軸承的選擇。絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠重力外, 般無外載荷，對絲杠軸承主要要求軸向精度和剛度較高，摩擦力矩盡量小。固定支承采用的有60角接觸球軸承、雙向推力角接觸球軸承、圓錐滾子軸承、滾 針軸承和推力軸承等，他們的特點及應用見表2-16。表2-16 絲杠常用軸承的特點及應用滾動軸承類型軸向剛 度軸向安

40、 裝預載調整摩擦力 矩應用60角接觸球軸 承大簡單不需要小應用廣泛，剛 度要求變動場合雙向推力角接 觸球軸承中簡單不需要小軸承剛度要求 較咼的場合圓錐滾子軸承小簡單內圈間有隔 套時需要調 整大軸承剛度要求 不咼的場合滾針軸承和推 力滾子軸承組 合特大簡單不需要特大用于大牽引 力、咼剛度的 大型機床深溝球軸承和 推力軸承組合大復雜麻煩小應用較少根據表2-16軸承特點的比較，而鉸支端要求軸向剛度大，可選用深溝球軸承，固 定支承可選用60角接觸球軸承，其特點：1）接觸角大、鋼球數多、承載能力強、剛度高。2）既能承受軸向載荷，也能承受徑向載荷，支承結構可以簡化。3）軸承是按規(guī)定的預緊力供應的，使用者不

41、需要自己調整。4）軸承啟動摩擦力矩小，降低絲杠副驅動功率，提高進給系統的靈敏度。6伺服系統的改造設計6.1控制系統的選擇按控制方式分類，控制系統分為開環(huán)控制系統、半閉環(huán)控制系統、閉環(huán)控制系統。 開環(huán)控制系統與其他兩種控制系統相比有成本低、結構簡單的優(yōu)點，雖然開環(huán)系統的 精度已經滿足不了數控機床日益提高的對控制功率、快速運動和加工精度的要求，但 由于近年來發(fā)展了步進電機的細分技術，出現了專用的細分功率驅動模塊，步進電機 在低轉矩、高精度、速度中等的小型設備的驅動控制中得到了廣泛的應用，特別是在 微電子生產設備中充分的發(fā)揮了他的獨特優(yōu)勢。開環(huán)控制系統主要是由驅動控制環(huán)節(jié)（環(huán)形分配器和加減速電路）、

42、執(zhí)行元件（步進電機）和機床（滾珠絲杠、工作臺等）三大部分組成。開環(huán)系統的指令信號單方向 傳送，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱為開環(huán)控制系統。其驅動電機采用步進 電機，控制電路每變換一次指令信號，步進電機就旋轉一個步角距，通過齒輪、絲杠 傳動使工作臺移動一定距離，該距離成為脈沖當量。步進電機的旋轉速度取決于指令 脈沖的頻率，轉角的大小由指令的脈沖數來決定。步進電機有以下特點：1）能方便地實現調速以及正反轉和啟?？刂疲瑔⑼r間短。只要控制輸入脈沖的數量、頻率及電機繞組通電相序，便可獲得所需的轉角、轉速、及運轉方向， 在一定的頻率范圍內，改變各相繞組的接通次序即可實現正反轉， 各種運行 方式都能

43、實現任意的改變，且不會丟步。2）輸出轉角的精度高，無積累誤差。步進電機采用脈沖數字信號進行控制，每轉一轉步距，誤差自動為零。3）轉動慣量小，響應快。4）輸出角與輸入脈沖嚴格成比例，且在時間上同步。步進電機的步距角和旋轉速度不受各種干擾因素，如電壓、電流、波形、溫度等的影響。5）維修方便，壽命長。6.2縱向步進電機的計算與選擇步進電機是一種用脈沖信號控制的電動機。在負載能力及動態(tài)特性范圍內，步進電 機將來自數控裝置的進給脈沖輸出，步進電機的角位移與控制脈沖數成正比，轉速與 控制脈沖頻率成正比。因此，步進電機已成為經濟型數控機床中最主要的一種伺服動 力元件。6.2.1負載轉動慣量計算折算到電動機軸

44、上的轉動慣量按下式估算:Jf = Ji2i耳)2iG式中：Jf 折算到電動機軸上的轉動慣量（kg/cm2)37J1齒輪Zl的轉動慣量（kg/cm2）J2齒輪Z2的轉動慣量（kg/cm2）2J3滾珠絲杠的轉動慣量（kg/cm ）,由式可得:一一估算參數 對于鋼的圓柱形零件，其轉動慣量按式估算J1=7.8 X10 X 6.44X2kg.cm?=2.617 kg.cm 2J2=7.8 X10 “X84X2 kg.cm =6.390 kg.cm 2J3=7.8 X10 X 3.24 X120 kg.cm2=9.815 kg.cm 2(匹)2 亠180 0.。1 10)2 kg.cm2=0.305 kg

45、.cm 2一bi2g3.14 0.751.252 9.82JF - J1.223 (81)2 字=13.293 kg.cm 2-b i g622各種工況下轉矩計算1）負載轉矩計算及最大靜轉矩Tjmax的計算。根據能量守恒，電動機等效負載轉矩由式可得:N m=1.352N m1652.096 6 10”2二 0.953 0.98 1.25其中安全系數取0.3 ,求若不考慮啟動是運動部件慣性的影響， 則啟動轉矩由式, 得：1352 N m =4.507 N m q 0.3Tjmax可由式求得，其中入=0.866，貝U：1 q Tjmax =-=5.204 N m2）快速空載啟動時所需轉矩 T:因數

46、控機床對動態(tài)性能要求較高，去頂電動機最 大靜矩時，應滿足快速空載啟動時所需轉矩 T的要求。當工作臺快速移動時，電動機的轉速可由下式計算：Vmaxln 二P。2000 1.256r/min =416.7 r/min由式可求出Tamax，其中t=25mS=0.025S，則Tamax得:Tamax = Jf ； =2.319 N m由此可得：Tf 二亟 n on i =0.105 N m 2兀同理可得，Fo=Fm/3= 2350.53 N，貝U:T0=更 n on i =1.924 N m 2兀由式可得：T = Tamax Tf To =4.438 N m3）快速移動時所需力矩T快?？捎上率降茫篢快

47、 = T摩 = Tf T0 =2.209 N m4）最大切削負載時所需力矩T切?？捎上率角蟮茫篢切 = Tf T0+ -FxPo n oi=2.838 N m2兀從上面計算可以看出：快速空載啟動所需轉矩 T、快速移動時所需力矩T快和最大 切削負載是所需力矩T切三種情況下，快速空載啟動時所需轉矩 T最大，所以，以此項 作為初選步進電機的依據。6.2.3 步進電機的選擇1) 步進電機最高工作頻率可由式求得：fmax= 1000X2/60 X 0.01 Hz= 3333.33 Hz根據計算數據，最大靜轉矩Tjmax = 5.204 N- m快速空載啟動時所需轉矩T=2.718N- m步進電機最高工作

48、頻率fmax=3333.33 Hz，選用步距角0.75的步進電機。根據以上數據，選用110BF003-1.5/0.75型反應式步進電機。2) 110BF003-1.5/0.75型反應式步進電機的主要參數見表 2-17所示。表2-17 110BF003-1.5/0.75型反應式步進電機參數型號相數額定電壓/N靜態(tài)電 流/A步角距 ()保持轉矩 最大靜轉矩空載啟 動頻率/Hz空載運 行頻率/Hz110BF00338061.5/0.757.84150070006.3驅動器的選擇由GSK980T數控裝置技術參數可知，GSK980TA數控系統適配的驅動裝置有：DF3A 系列三相反應式步進電機驅動器、DF

49、3A系列三相混合式步進電機驅動器、DF3A系列交 流伺服。根據驅動器同時要和數控系統及 X、Z軸電動機匹配的原則，X、Z軸選用的是 反應式步進電機，所以在這里應選用 DF3A系列三相反應式步進電機驅動器。又因為在伺服系統的改造部分選用的是110BF003步進電機作為X、Z軸的伺服電動機，所以選用DF3A系列中的DF3A-06三相反應式步進電機驅動器作為連接系統和電 動機的驅動器。(1) DF3A-06三相反應式步進電機驅動器的特點1) 可靠性高。數字技術和單片機的應用，使得驅動器線路簡單可靠；合理的結構設計，使得整機結構緊湊防護性能好。2) 低速性能好。引入單片機進行軟環(huán)分及矢量細分，實現1:

50、1平滑細分及5、10、20倍矢量細分，使得步進電機低速運行平穩(wěn)，避免震蕩及失步。3） 高速性能優(yōu)。輸入信號頻率不大于 250Hz輸出電流頻率可達15kHz。4）適用面廣。輸出電流310A可調，可驅動90BF、110BF 130BF步進電機，輸出轉矩22.5 N m。（1） DF3A系列三相反應式步進電機驅動器技術參數。見表2-18。表2-18 DF3A系列三相反應式步進電機驅動器技術參數驅動器型號DF3A-03DF3A-04DF3A-05DF3A-06DF3A-08DF3A-10適配電機90BF110BC380B130BC380C130BC380D110BC380C130BC380E-110B

51、F-輸入電源AC110V-15%+10%50/60Hz(MX)A AC220V-15%+10%50/60Hz3A(MAX)輸出相電源3A4A5A6A8A10A電動機取咼轉 速不低于1300r/min工作環(huán)境045C, 0%85%RH不結露；無腐蝕、易燃易爆、導電性氣體、液體和粉塵保存環(huán)境-2080Co, 0%85%RH不結露驅動方式單高壓恒流斬波半橋方式細分選擇4位DIP開關上電前設定1/5/10/20細分輸入脈沖方式單脈沖方式：CP+DIR（脈沖+方向）；雙脈沖方式：CW+CCW正傳脈沖 +反轉脈沖）脈沖頻率不大于250kHz脈沖寬度不小于1us換向間隔不小于10us使能輸入FREE言號有效

52、驅動器有電流輸出、電動機受控輸入信號電平5V、310mA 12V時串入1kQ電阻，輸入回路有電流時輸入有效初始相位輸出 信號B相位上電初始輸出相位，僅 B相輸出有效時，PH.OUT俞出（NPN型 OC有效；與OUT.CO接通，吸入電流不大于6A電流，負載電壓不大于24V。保護功能過流、短路保護；過熱保護；欠壓保護報警輸出FREE無效或驅動器過流/短路/過熱/欠壓保護時，ALM信號輸出無效；FREEt效、無報警時，ALM與 OUT.COM接通，吸入電流不大于100mA負載電壓不大于2V狀態(tài)指示綠色 LED H.POWER電源指示）A.PHASE/B.PHSAE/C.PHASE 相電流指示）紅色LED ALARM報警指示，保護時有效時亮）外形尺寸284mrX 163miX 82mm質量3.0kg7編碼器的選用和安裝機床能否進行螺紋加工是主軸部分數控化改造的重要內容。傳統車床加工螺紋時,往往是通過交換齒輪組來完成的，加工不同的螺紋則需要不同的交換齒輪組，操作起 來十分復雜。改造后的車床已拆掉原交換齒輪系統，將主軸箱與進給箱之間的傳動鏈 切斷，車床