畢業(yè)論文CA6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)說明

1、 . PAGE29 / NUMPAGES29目 錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc282081884第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)5HYPERLINK l _Toc2820818851.1題目：5HYPERLINK l _Toc2820818861.2 任務(wù)5HYPERLINK l _Toc282081887第二章 總體方案的確定6HYPERLINK l _Toc282081888第三章 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方案7HYPERLINK l _Toc2820818893.1主軸系統(tǒng)的改造方案7HYPERLINK l _Toc2820818903.2安裝電動卡盤7HYPERLINK

2、 l _Toc2820818913.3換裝自動回轉(zhuǎn)刀架8HYPERLINK l _Toc2820818923.4螺紋編碼器的安裝方案8HYPERLINK l _Toc2820818933.5進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案9HYPERLINK l _Toc282081894第四章 進(jìn)給傳動部件的計(jì)算和選型10HYPERLINK l _Toc2820818954.1脈沖當(dāng)量的確定10HYPERLINK l _Toc2820818964.2切削力的計(jì)算10HYPERLINK l _Toc2820818974.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型11HYPERLINK l _Toc2820818984.4同步帶減速

3、箱的設(shè)計(jì)12HYPERLINK l _Toc2820818994.5步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型 PAGEREF _Toc282081899 h 12HYPERLINK l _Toc2820819004.6同步帶傳遞效率的校核 PAGEREF _Toc282081900 h 18HYPERLINK l _Toc282081901第五章 繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖 PAGEREF _Toc282081901 h 19HYPERLINK l _Toc282081902第六章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)21HYPERLINK l _Toc282081903第七章 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源的選用22HYPERLINK l

4、 _Toc282081904第八章容總結(jié)29HYPERLINK l _Toc282081905參考文獻(xiàn)30摘 要我國目前機(jī)床總量為380萬余臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺，這說明我國機(jī)床數(shù)控化率不到3%。我們大多數(shù)制造業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工設(shè)備大多數(shù)是傳統(tǒng)機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種機(jī)床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、成本高等缺點(diǎn)，因此這些產(chǎn)品在國際、國市場上缺乏競爭了，這直接影響了企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須提高機(jī)床的數(shù)控化率。對于我國的實(shí)際情況，大批量的購置數(shù)控機(jī)床是不現(xiàn)實(shí)也是不經(jīng)濟(jì)的，只有對現(xiàn)有的機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造。數(shù)控改造相對于購置數(shù)控機(jī)床來說，能充分

5、發(fā)揮設(shè)備的潛力，改造后的機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有很多突出優(yōu)點(diǎn)，由于數(shù)控機(jī)床的計(jì)算機(jī)有很高的運(yùn)算能力，可以準(zhǔn)確的計(jì)算出每個坐標(biāo)軸的運(yùn)動量，加工出較復(fù)雜的曲線和曲面。其計(jì)算機(jī)有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記憶和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序，就可以實(shí)現(xiàn)另一工件的加工，從而實(shí)現(xiàn)“柔性自動化”。改造后的機(jī)床不象購買新機(jī)那樣，要重新了解機(jī)床操作和維修，也不了解能否滿足加工要求。改造可以精確計(jì)算出機(jī)床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者對機(jī)床的特性早已了解，操作和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。另外，數(shù)控改造可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新機(jī)那樣需要重新構(gòu)筑

6、地基，還可以根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，與時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和檔次，將機(jī)床改造成當(dāng)今水平的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床是以微電子技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合為基礎(chǔ)，不但技術(shù)上具有先進(jìn)性，同時在應(yīng)用上比其他傳統(tǒng)的自動化改造方案有較大的通用性和可用性，且投入費(fèi)用低，用戶承擔(dān)得起。由于自投入使用以來取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，已成為我國設(shè)備技術(shù)改造中主要方向之一，也為我國傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)朝機(jī)電一體化技術(shù)方向過渡的主要容之一。第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1題目：CA6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)1.2 任務(wù)將一臺CA6140普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標(biāo)如下：床身上最大加工直徑;最大加工長度；X方向（橫向）

7、的脈沖當(dāng)量，Z方向（縱向）；X方向最快移動速度，Z方向?yàn)?；X方向最快工進(jìn)速度，Z方向?yàn)椋籜方向定位精度，Z方向；可以車削柱面、平面、錐面與球面等；安裝螺紋編碼器，可以車削公/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導(dǎo)程；安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀；自動控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級變速與無級變速信號；自動控制冷卻泵的啟/停;安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；縱、橫向安裝限位開關(guān)；數(shù)控系統(tǒng)可與PC機(jī)串行通信；顯示界面采用LED數(shù)碼管，編程采用ISO數(shù)控代碼。第二章 總體方案的確定總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以與進(jìn)給傳動方式和

8、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以與螺紋插補(bǔ)的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。普通車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)結(jié)構(gòu)簡化，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度，以與數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列8位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性/價比高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等，還要選擇

9、步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源以與主軸電動機(jī)的交流變頻器等。為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進(jìn)給傳動應(yīng)選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。計(jì)算選擇步進(jìn)電動機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速齒輪副，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。 選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方案3.1主軸系統(tǒng)的改造方案對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造時，一般可保留原有的主傳動機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣可以減少機(jī)械改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。 若要提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉(zhuǎn)速，可用24速的多速電動

10、機(jī)代替原有的單速主電動機(jī)；當(dāng)多速電動機(jī)仍不能滿足要求時，可用交流變頻器來控制主軸電動機(jī)，以實(shí)現(xiàn)無級變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時，若工作頻率低于，原來的電動機(jī)可以不更換，但所選變頻器的功率應(yīng)比電動機(jī)大）。 改造C6140車床時，若采用有級變速，可選用超力生產(chǎn)的YD系列變級多速三相異步電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)檔變速；若采用無級變速，應(yīng)加裝交流變頻器，推薦型號為：F100-G0075T3B,適配電動機(jī)，生產(chǎn)廠家為惠豐電子。3.2安裝電動卡盤為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動卡盤，選用呼和浩特附件總廠生產(chǎn)的KD11250型電動三爪自定心卡盤?？ūP的夾緊與松開由數(shù)控系。3.3換裝自動回轉(zhuǎn)刀架為了提高

11、加工精度，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動刀架換成自動回轉(zhuǎn)刀架，選用市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)的LD4B-CK6140型四工位立式電動刀架。實(shí)現(xiàn)自動換刀需要配置相應(yīng)的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。3.4螺紋編碼器的安裝方案螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸信號的反饋元件，它與車床主軸同步。改造后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程是，Z向的進(jìn)給脈沖當(dāng)量是，所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)應(yīng)不少于?？紤]到編碼器的輸出有相位差的A、B相信號，可用A、B異或后獲得個脈沖（一轉(zhuǎn)），這樣編碼器的線數(shù)可降到線（A、B信號）。另外，為了重復(fù)車削同一螺旋槽時

12、不亂扣，編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖Z?；谏鲜鲆?，選擇螺紋編碼器的型號為：ZLF-1200Z-05VO-15-CT。電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出個A/B脈沖與1個Z脈沖，信號為電壓輸出，軸頭直徑，生產(chǎn)廠家為光機(jī)數(shù)顯技術(shù)。螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過一對傳動比為的同步齒形帶與主軸連接起來。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性連接，且車床組、主軸的最高

13、轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。3.5進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案拆除掛輪架所有齒輪，在此主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)與同步帶減速箱總成。拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的的螺母座與螺母座托架。拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四工位立式刀架。拆除橫溜板下的滑動絲桿螺母副，將滑動絲桿靠刻度盤一段（長，見圖一）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)通過法蘭安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），更換絲桿的右支

14、承。改造后的橫向、縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)分別見附圖一和附圖二。第四節(jié) 進(jìn)給傳動部件的計(jì)算和選型縱、橫向進(jìn)給傳動部件的計(jì)算和選型主要包括：確定脈沖當(dāng)量、計(jì)算切削力、選擇滾珠絲杠螺母副、設(shè)計(jì)減速箱、選擇步進(jìn)電動機(jī)等。4.1脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，X方向（橫向）的脈沖當(dāng)量為，Z方向（縱向）為。4.2切削力的計(jì)算（1）縱向切削力算設(shè)工件為碳素結(jié)構(gòu)鋼，；選用刀具材料為硬質(zhì)合金YT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角，前角，刃傾角；切削用量為：背吃刀量，進(jìn)給量，切削速度。查表得：，；主偏角的修正系數(shù)；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為。由經(jīng)驗(yàn)公式：，算得主切削力;由經(jīng)驗(yàn)公式：，算得縱向進(jìn)給切削力,背向力

15、。（2）橫向切削力計(jì)算橫向主切削力為縱向的一半，所以橫向主切削力由經(jīng)驗(yàn)公式,求得橫向進(jìn)給切削力，背向力。4.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型1.縱向：(1) 工作載荷的計(jì)算已知移動部件總重量；車削力，。根據(jù)，的對應(yīng)關(guān)系，可得：，。 選用矩形-三角形組合滑動導(dǎo)軌，查表，取，代入,得工作載荷.(2) 最大動載荷的計(jì)算 設(shè)本車床Z向在承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度，初選絲杠基本導(dǎo)程，則此時絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠的使用壽命，代入,得絲杠壽命系數(shù)。查表，取載荷系數(shù)，再取硬度系數(shù)，代入式，求得最大動載荷。(3) 初選型號 根據(jù)計(jì)算出的最大動載荷，查表，選擇啟東潤澤機(jī)床附件生產(chǎn)的FL4006型滾珠絲杠副。其公

16、稱直徑為，基本導(dǎo)程為，雙螺母滾珠總?cè)?shù)為，精度等級取4級，額定動載荷為，滿足要求。(4) 傳動效率的計(jì)算將公稱直徑，基本導(dǎo)程，代入，得絲杠螺旋升角。將摩擦角，代入，得傳動效率。(5) 剛度的驗(yàn)算 1） 縱向滾珠絲杠的支承，采取一端軸向固定，一端簡支的方式，見圖二。固定端采取一對推力角接觸軸承，面對面組配。絲杠加上兩端接桿后，左、右支承的中心距離約為；鋼的彈性模量；查表得滾珠直徑，算得絲杠底徑公稱直徑滾珠直徑。忽略式中的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的變形量。2）根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)目,該型號絲杠為雙螺母，滾珠總?cè)?shù)為，則滾珠總數(shù)量。滾珠絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力。則由式,求得滾珠與螺紋

17、滾道間的接觸變形量。因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的，所以實(shí)際變形量可減小一半，取。3）將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度）。由表知，4級精度滾珠絲杠任意軸向行程行程的變動量允許，而對于跨度為的滾珠絲杠，總的變形量只有，可見絲杠剛度足夠。(6) 壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)式計(jì)算失穩(wěn)時的臨界載荷。查表取支承系數(shù)；由絲杠底徑，求得截面積慣性矩；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離取最大值。代入式，得臨界載荷,遠(yuǎn)大于工作載荷，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。4.4同步帶減速箱的設(shè)計(jì)為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時也為了使傳動系統(tǒng)的

18、負(fù)載慣量盡可能地減小，傳動鏈中常采用減速傳動。C6140車床縱向減速箱選用同步帶傳動。設(shè)計(jì)同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳動的功率；主動輪轉(zhuǎn)速和傳動比；傳動系統(tǒng)的位置和工作條件等。根據(jù)改造經(jīng)驗(yàn)，C6140車床縱向步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩通常在之間選擇。初選電動機(jī)型號為130BYG5501,五相混合式，最大靜轉(zhuǎn)矩，十拍驅(qū)動時步距角為。傳動比的確定已知電動機(jī)的步距角，脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，代入式算得傳動比主動輪最高轉(zhuǎn)速 由縱向床鞍的最快移動速度，得出主動輪的最高轉(zhuǎn)速。確定帶的設(shè)計(jì)功率 預(yù)選的步進(jìn)電動機(jī)在轉(zhuǎn)速為時，對應(yīng)的步進(jìn)脈沖頻率為。當(dāng)脈沖頻率為時，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為，對應(yīng)的輸出功率為。取，,

19、代入式，得出.選擇帶型和節(jié)距 根據(jù)帶的設(shè)計(jì)功率和主動輪最高轉(zhuǎn)速，選取同步帶的型號為L型節(jié)距。確定小帶輪齒數(shù)和小帶輪節(jié)圓直徑 取，則小帶輪節(jié)圓直徑。當(dāng)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時，同步帶速度為，沒有超過L型帶的極限速度。確定大帶輪齒數(shù)和大帶輪節(jié)圓直徑 大帶輪齒數(shù)，節(jié)圓直徑。初選中心距、帶的節(jié)線長度、帶的齒數(shù) 初選中心距，圓整后取。則帶的節(jié)線長度為。查表選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長度，相應(yīng)齒數(shù)。計(jì)算實(shí)際中心距 實(shí)際中心距。校驗(yàn)帶與小帶輪的的嚙合齒數(shù)，嚙合齒數(shù)比6大，滿足要求。此處表示取整。計(jì)算基準(zhǔn)額定功率 所選型號同步帶在基準(zhǔn)寬度下所允許傳遞的額定功率：，式中 表示帶寬為時的許用工作壓力，查表得；表示帶寬為時的單位長度的質(zhì)量

20、，查表得；表示同步帶的帶速，由上述（5）知。代入式子算得.確定實(shí)際所需同步帶寬度，式中表示選定型號的基準(zhǔn)寬度，查表得；表示小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，查表得。由上式算得，再根據(jù)表選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬。帶的工作能力驗(yàn)算根據(jù)式，計(jì)算同步帶額定功率的精確值：式中 為齒寬系數(shù)：。經(jīng)計(jì)算得,而,滿足。因此，帶的工作能力合格。4.5步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量已知：滾珠絲杠的公稱直徑，總長（帶接桿），導(dǎo)程，材料密度；縱向移動部件總重量；同步帶減速箱大帶輪寬度，節(jié)徑，孔徑，輪轂外徑，寬度；小帶輪寬度，節(jié)徑，孔徑，輪轂外徑，寬度；傳動比。將上述數(shù)據(jù)代入公式，可得出：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；床鞍折算到

21、絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量；小帶輪的轉(zhuǎn)動慣量，大帶輪的轉(zhuǎn)動慣量。在設(shè)計(jì)減速箱時，初選的縱向步進(jìn)電動機(jī)型號為130BYG5501，查表得該型號電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。則加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：。計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩分快速空載起動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算?？焖倏蛰d啟動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式，可知包括三部分：快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩、移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式可知，相對于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： （4-1）根據(jù)式，考慮縱向傳動鏈的總效率，

22、計(jì)算快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： （4-2）式中 表示對應(yīng)縱向空載最快移動速度的步進(jìn)電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為；表示步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為。其中： （4-3） 式中 表示縱向空載最快移動速度，任務(wù)書指定為；表示縱向步進(jìn)電動機(jī)步距角。為；表示縱向脈沖當(dāng)量，為。將以上各值帶入式（4-3），算得。設(shè)表示步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時間，縱向傳動鏈總效率；則由式（4-2）求得：，由式可知，移動部件運(yùn)動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： （4-4）式中 表示導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滑動導(dǎo)軌??；表示垂直方向的工作載荷，空載時??；表示縱向傳動鏈總效率，取。則由式（4-4

23、）得：，最后由式（4-1），求得快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： (4-5)最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式可知，包括三部分：折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩、移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。相對于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： （4-6）其中，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式計(jì)算，本例中在對滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時候，已知進(jìn)給方向的最大工作載荷,則有：再由式計(jì)算承受最大工作負(fù)載（）情況下，移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩:最后由式（4-6），求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

24、 （4-7）經(jīng)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩： （4-7）步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動機(jī)采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟布，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)，則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： （4-8）對于前面預(yù)選的130BYG5501型步進(jìn)電動機(jī)，查表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩，可見完全滿足式（4-8）要求。步進(jìn)電動機(jī)的性能校核1）最大工進(jìn)速度時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定縱向最快工進(jìn)速度，脈沖當(dāng)量，由式求出電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率。在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載

25、轉(zhuǎn)矩，滿足要求。2）最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定縱向最快空載移動速度，由式，求出電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率。查表得，此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，大于快速空載起動時負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。3）最快空載移動時電動機(jī)運(yùn)行頻率校核最快空載移動速度，對應(yīng)的電動機(jī)運(yùn)行頻率。查表可知130BYG550的極限運(yùn)行頻率為，可見沒有超出上限。4）起動頻率的計(jì)算已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣量，查表可知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時最高空載起動頻率。由式，可以求出步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率為：，上式說明，要想保證步進(jìn)電動機(jī)起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于。實(shí)際上，在采用軟件升降頻

26、率時，起動頻率選得很低，通常只有(即)。綜上所述，縱向進(jìn)給系統(tǒng)選用130BYG550步進(jìn)電動機(jī)，可以滿足要求。4.6同步帶傳遞效率的校核分兩種工作情況，分別進(jìn)行校核?？焖倏蛰d起動 電動機(jī)從靜止到加速至，由式（4-5）可知，同步帶傳遞的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，傳遞的功率為。最大工作負(fù)載、最快工進(jìn)速度由式（4-7）可知，帶需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，任務(wù)書給定最快工進(jìn)速度，對應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速。傳遞的功率為?？梢姡瑑煞N情況下同步帶傳遞的負(fù)載功率均小于帶的額定功率。因此，選擇的同步帶功率合格。第五節(jié) 繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖在完成滾珠絲杠螺母副和步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選型后可以著手繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)的機(jī)械裝配圖。在繪制機(jī)械裝配圖

27、時，還應(yīng)認(rèn)真的考慮與具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的一些問題。了解原機(jī)床的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)載荷特點(diǎn)和支承形式確定絲杠兩端支承軸承的型號，軸承座的結(jié)構(gòu)以與軸承預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式，確定齒輪軸支承軸承的型號?？紤]各部件之間的定位、聯(lián)接和調(diào)整方法。箱上的聯(lián)接與定位等?？紤]密封、防護(hù)、潤滑以與安全機(jī)構(gòu)等問題。在進(jìn)行各零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。第六節(jié) 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示；接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號；接收車床限位開關(guān)信號；

28、接收螺紋編碼器信號；接收電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；控制X、Z向步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器；控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止；控制多速電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級變速；控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無級變速；10） 控制切削液泵起動停止；11） 控制電動卡盤的夾緊與松開；12） 控制電動刀架的自動選刀；13） 與PC機(jī)的串行通信。圖（2）為控制系統(tǒng)的原理框圖。CPU選用ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89S52；由于AT89S52本身資源有限，所以擴(kuò)展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片SRAM芯片6264用做數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；鍵盤與LED顯示采用8279來管理；輸入

29、輸出口的擴(kuò)展選用了并行接口8255芯片，一些進(jìn)出的信號均做了隔離放大；模擬電壓的輸出借助于DAC0832;與PC機(jī)的串行通信經(jīng)過MAX233芯片。數(shù)控系統(tǒng)的操作面板布置如圖（1）所示。面板設(shè)置了48個微動按鈕，三個船形開關(guān)，一只急停按鈕，顯示器包括1組數(shù)碼管和7只發(fā)光二極管。第七節(jié) 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源的選用本例中X向步進(jìn)電動機(jī)的型號為110BYG5802,Z向步進(jìn)電動機(jī)的型號為30BYG5501。兩種電動機(jī)除了外形尺寸、步距角和輸出轉(zhuǎn)矩不同外，電氣參數(shù)基本一樣，均為5相混合式，5線輸出，電動機(jī)供電電壓，電流5安。這樣，兩臺電動機(jī)的驅(qū)動電源可用同一型號。在此，選擇科林?jǐn)?shù)控科技XX公司生產(chǎn)的五相混

30、合式調(diào)頻調(diào)壓型步進(jìn)驅(qū)動器，型號為BD5A。現(xiàn)在很多企業(yè)為了生存和發(fā)展，不斷地提高機(jī)床的數(shù)控化率是必要的。需要進(jìn)行數(shù)控改造的設(shè)備一般包括傳統(tǒng)機(jī)床與近期從國外引進(jìn)，因存在問題而不能投產(chǎn)的機(jī)床設(shè)備和生產(chǎn)線。我們高新重型機(jī)床，在機(jī)床數(shù)字化控制和改造方面有獨(dú)特的心得和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。在普通機(jī)床恢復(fù)精度改造成高效的數(shù)控機(jī)床方面做了大量的工作?，F(xiàn)為了更好的服務(wù)客戶，我們總結(jié)了有關(guān)機(jī)床數(shù)控改造的知識供大家參考。一、數(shù)控改造的容機(jī)床與生產(chǎn)線的數(shù)控改造主要容有：(1)恢復(fù)原功能，對機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)；(2) NC化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置或加數(shù)控系統(tǒng)；(3)翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機(jī)

31、械、電氣部分進(jìn)行翻新，對機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不能滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進(jìn)行更新；(4)技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に?、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新。二、數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢l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(diǎn)，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(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)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)控任務(wù)PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普與到所有的數(shù)控系統(tǒng)。在遠(yuǎn)程通信、遠(yuǎn)程診斷和維修的應(yīng)用將更加普遍。2向高速化和高精度化發(fā)

32、展三、數(shù)控系統(tǒng)的選擇1開環(huán)系統(tǒng)該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。這種系統(tǒng)不需要位置和速度反饋，位移精度主要決定于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度和齒輪絲杠等傳動元件的精度，所以位移精度低。但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試維修方便、工作可靠、成本低、易改裝成功。2閉環(huán)系統(tǒng)該系統(tǒng)由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實(shí)際位置信號反饋給計(jì)算機(jī)，與給定值進(jìn)行比較，將兩者的差值放大并變換，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以消除偏差。此系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、對環(huán)境溫度要求嚴(yán)。但系統(tǒng)精度高、速度快、功率大?？筛鶕?jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否采用。3半閉環(huán)系統(tǒng)半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補(bǔ)償系

33、統(tǒng)環(huán)路的部分元件的誤差，因此，其精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是其結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司與廠家比較多，國外的如德國西門子公司、日本發(fā)那科公司；國的如中國珠峰公司、航天機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)集團(tuán)公司、華中數(shù)控公司和高檔數(shù)控國家工程研究中心等。選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控改造后機(jī)床要達(dá)到的各種精度、驅(qū)動電機(jī)的功率和用戶的要求來確定。四、機(jī)床數(shù)控改造主要步驟1改造方案的確定(1)機(jī)械修理與電氣改造相結(jié)合。一般來說，需進(jìn)行電氣改造的機(jī)床，都需進(jìn)行機(jī)械修理。要確定修理的要求、圍和容；也要確定因電氣改造而需進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)改造的要求和容；還要確定電氣改造與機(jī)械修理、改造之間的交錯時間要求。機(jī)械性

34、能的完好是電氣改造成功的基礎(chǔ)。(2)先易后難、先局部后全局。確定改造步驟時，應(yīng)把整個電氣部分改造分成若干個子系統(tǒng)進(jìn)行，待各系統(tǒng)基本成型后再互聯(lián)完成全系統(tǒng)工作。在每個子系統(tǒng)工作中，應(yīng)先做技術(shù)性較低的、工作量較大的工作，然后做技術(shù)性高的、要求精細(xì)的工作，使人的注意力能集中到關(guān)鍵地方。(3)根據(jù)使用條件選擇系統(tǒng)。針對改造對象確定它的環(huán)境和條件，這對選擇電氣系統(tǒng)的防護(hù)、抗干擾、自冷卻與空氣過濾等性能可提供正確的依據(jù)。電氣系統(tǒng)選擇時還必須考慮成熟產(chǎn)品，它們性能應(yīng)合理實(shí)用、有備件可提供維修支持、功能可滿足當(dāng)前和今后若干年的發(fā)展要求等。(4)落實(shí)參與改造的人員和責(zé)任。(5)改造圍與周期的確定。2改造的技術(shù)準(zhǔn)

35、備(1)機(jī)械部分準(zhǔn)備。為配合電氣改造的機(jī)械大修工作應(yīng)先期完成。同時對需拆、改和加工的部分等應(yīng)事先規(guī)劃，要與整個改造工作銜接得當(dāng)。(2)新系統(tǒng)電氣資料消化。(3)新舊系統(tǒng)接口的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。根據(jù)每臺設(shè)備改造圍不同，需事先設(shè)計(jì)接口部分轉(zhuǎn)換，若全部改造的，應(yīng)設(shè)計(jì)機(jī)電轉(zhuǎn)換接口、操作面板控制與配置、互聯(lián)部分接點(diǎn)、參數(shù)測量點(diǎn)、維修位置等。要求操作與維修方便合理、線路走向通順、中小連接點(diǎn)少、強(qiáng)弱電干擾最小、備有適當(dāng)裕量等。局部改造的，還需要考慮新舊系統(tǒng)的性能匹配、電壓極性與大小變換、安裝位置、數(shù)模轉(zhuǎn)換等，必要時需自行制作轉(zhuǎn)換接口。3改造的實(shí)施(1)原機(jī)床的全面保養(yǎng)。原機(jī)床經(jīng)長期使用后，需要進(jìn)行全面保養(yǎng)。其次，應(yīng)

36、對機(jī)床作一次改前的幾何精度、尺寸精度測量，并記錄在案。這樣既可對改造工作起指導(dǎo)參考作用，又可在改造結(jié)束時作對比分析用。(2)保留的電氣部分最佳化調(diào)整。若對電氣系統(tǒng)作局部改造，則應(yīng)對保留電氣部分進(jìn)行保養(yǎng)和最佳化調(diào)整，如強(qiáng)電部分的零件更換、電機(jī)的保養(yǎng)、變壓器的烘干絕緣、污染的清潔、通風(fēng)冷卻裝置的清洗、伺服驅(qū)動裝置的最佳化調(diào)整、老化電線電纜的更新、連接件的緊固等。只有對保留的電氣部分做好過細(xì)的最佳化調(diào)整，才能保證改造后的機(jī)床有較低的故障率。(3)原系統(tǒng)拆除。原系統(tǒng)的拆除必須對照原圖紙仔細(xì)進(jìn)行，與時在圖紙上作出標(biāo)記，防止遺漏或過拆。在拆的過程中也會發(fā)現(xiàn)一些新系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的欠缺之處，應(yīng)與時補(bǔ)充與修正。拆下的系統(tǒng)要妥善保管，以備萬一改造不成功時恢復(fù)使用。還有一定使用價值的，可作備件。4驗(yàn)收與后期工作(1)機(jī)床機(jī)械性能驗(yàn)收。機(jī)床的各項(xiàng)機(jī)械性能應(yīng)達(dá)到要求，幾何精度應(yīng)在規(guī)定的圍。(2)電氣控制功能和控制精度驗(yàn)收。電氣控制的各項(xiàng)功能必須達(dá)到動作正常、靈敏可靠?？刂凭葢?yīng)用系統(tǒng)本身的功能（如步進(jìn)尺寸等）與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具（如激光干涉儀、坐標(biāo)測量儀等）對照檢查，達(dá)到精度圍之。同時還應(yīng)與改造前機(jī)床的各項(xiàng)功能和精度作出對比，獲得量化的指標(biāo)差。(3)試件切削驗(yàn)收?？梢詤⒄諊庥嘘P(guān)數(shù)控機(jī)床切削試件標(biāo)準(zhǔn)，在有資格的操作工、編程人員配合下進(jìn)行試切削。試件切削可驗(yàn)收機(jī)床剛度、切削力、噪聲、運(yùn)動軌跡、關(guān)聯(lián)動作等，一般不宜采用