CA6140車床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造

CA6140車床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造DesignandTransformationofCA6140LatheFeedSystem

摘要本文介紹了普通數(shù)控機(jī)床中CA6140車床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造過程，主要為機(jī)械元件的設(shè)計(jì)，包括滾珠絲杠、軸承、步進(jìn)電機(jī)、和齒輪傳動(dòng)比的計(jì)算、選擇與應(yīng)用。針對現(xiàn)有常規(guī)CA6140普通車床的缺點(diǎn)提出數(shù)控改裝方案，提高加工精度和擴(kuò)大機(jī)床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。改造后的機(jī)車，主運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速，縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控控制，并要求達(dá)到縱向最小運(yùn)動(dòng)單位為0.15mm每脈沖，橫向最小運(yùn)動(dòng)單位0.005mm每脈沖，刀架要是自動(dòng)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，要能自動(dòng)切削螺紋。關(guān)鍵詞：齒輪；進(jìn)給絲杠；步進(jìn)電機(jī)；改造AbstractThisarticleconciselanguagehadthestressintheintroductionordinarynumericalcontrolenginebedtheeconomynumericalcontroltoolmachineenteredforthedesignprocess,mainlyformechanicalpartdesign,includingballbearingguidescrew,bearing,steppermotor,andsynchronizedtoothprofilebeltcomputation,choiceandapplication.ToremedythedefectsofordinarylatherCA6140,adesignofdataprocessingsystemanditssinglechipmicrocomputersystemprogramisputforwardtoraisetheprocessingprecisionandextendthemachine?susage,andtoimproveproductionrate.sotheMotorcyclebeenreformed,thelordexercisesrealizetochangespeedautomatically.lengthways,horizontalentertoproceedtosystemthenumbercontrolsthecontrol,andrequesttoattainlengthwaysminimumsportunitas0.15mm/pulse,horizontalminimumsportunitas0.005mm/pulse,knifemustbetheautomaticcontrolaknifewhichisturningautomatically,anditisabletoslicethethreadautomatically.Thispaperpresentstheprocessofdesigningnumericalcontrolreform,andexplicitlyintroducesthedesignofmechanicalandnumericalcontrolsystemreforms.Keyword:Numericalcontrol;ballbearingguidescrew;steppermotor;reformdesig目錄TOC\o"1-3"\h\u1數(shù)控機(jī)床的基本知識 41.1數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 41.2我國機(jī)床行業(yè)的研究現(xiàn)狀 41.3我國機(jī)床行業(yè)的發(fā)展前景 52總體方案設(shè)計(jì) 72.1設(shè)計(jì)任務(wù) 72.2機(jī)床改造總體方案設(shè)計(jì)要求 82.3進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)方案 83進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 93.1進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì) 93.2橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型 93.2.1確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 103.2.2橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟 103.2.3齒輪有關(guān)計(jì)算 114步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 154.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用的基本原則 154.1.1步距角α 164.1.2轉(zhuǎn)矩 164.1.3啟動(dòng)頻率 174.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選折 174.2.1CA6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 175主軸交流伺服電機(jī) 175.1主軸的變速范圍 175.2初選主軸電機(jī)的型號 185.3主軸電機(jī)的校核 186微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 186.1硬件電路的設(shè)計(jì) 186.2軟件電路的設(shè)計(jì) 196.3AT89C51芯片 196.4單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 206.5程序調(diào)試及其運(yùn)行 21總結(jié) 24致謝 25參考文獻(xiàn) 261數(shù)控機(jī)床的基本知識 1.1數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢高精度化：在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，精度要求越來越高，數(shù)控機(jī)床必須實(shí)現(xiàn)更高的精度水平。因此，未來數(shù)控機(jī)床的研發(fā)方向?qū)⒏幼⒅馗呔然陌l(fā)展，以滿足工業(yè)生產(chǎn)對高精度加工的需求。智能化：隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，未來數(shù)控機(jī)床將會(huì)更加智能化。機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的應(yīng)用，將有助于提高數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化水平和智能化程度，從而實(shí)現(xiàn)更高效、更智能的生產(chǎn)。綠色化：環(huán)保意識的日益提高，未來數(shù)控機(jī)床的發(fā)展將更加注重環(huán)保和節(jié)能。在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝流程控制等方面，將會(huì)更加注重環(huán)保和節(jié)能，以實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保生產(chǎn)。自適應(yīng)化：數(shù)控機(jī)床的自適應(yīng)化也將成為未來發(fā)展的趨勢。未來數(shù)控機(jī)床將更加智能化，能夠根據(jù)不同的工藝要求和工件特征進(jìn)行自適應(yīng)控制，從而實(shí)現(xiàn)更高效的生產(chǎn)。1.2我國機(jī)床行業(yè)的研究現(xiàn)狀改革開放以來，我國機(jī)床行業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但是跟國外同行業(yè)相比，我過機(jī)床事業(yè)還是有很大的不足，國產(chǎn)機(jī)床的發(fā)展仍然難以支撐國民經(jīng)濟(jì)和國防軍工的需要。與世界先進(jìn)水平相比差距仍然十分明顯。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1、產(chǎn)量總體規(guī)模已居世界前列。2005年金切機(jī)床產(chǎn)量45萬臺(tái)，為“十五”初的2.4倍；鍛壓機(jī)床產(chǎn)量63萬噸，是“十五”初的2.4倍。2005年機(jī)床工具全行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值1260億元，是“十五”初期的2.5倍，平均年增長約26%，其中金屬加工機(jī)床產(chǎn)值達(dá)到了51億美元，總體經(jīng)濟(jì)規(guī)模已超過意大利，躍居世界第三位。其中，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值從“九五”末的4.9億美元增加到“十五”末的21.8億美元，年平均增長34.8%。數(shù)控金切機(jī)床的產(chǎn)量從“九五”末的1.4萬臺(tái)增加到“十五”末的6.0萬臺(tái)，年均增長達(dá)到33.5%。數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量占全部機(jī)床的比重同時(shí)由7.3%增長到2005年的13.3%。2、產(chǎn)品技術(shù)水平明顯提高在常規(guī)數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，如數(shù)控車床、立式加工中心、數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控齒輪機(jī)床、數(shù)控磨床、電加工機(jī)床、數(shù)控重型機(jī)床和數(shù)控成形機(jī)床等一大批產(chǎn)品，我國已經(jīng)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，具有較強(qiáng)的市場競爭力，基本滿足國內(nèi)需求。在高檔數(shù)控機(jī)床研發(fā)方面取得了新的突破，代表產(chǎn)品有五軸聯(lián)動(dòng)橫梁移動(dòng)式高速龍門銑床、五軸聯(lián)動(dòng)龍門加工中心、五軸聯(lián)動(dòng)車銑中心、五軸聯(lián)動(dòng)立式葉片加工中心。3、產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)初步優(yōu)化隨著近年來機(jī)床行業(yè)的快速發(fā)展，其產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)也得到了明顯優(yōu)化。2005年，數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量達(dá)到1000臺(tái)的企業(yè)已有11家。數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量前10名企業(yè)的產(chǎn)量集中度達(dá)到45.9%。沈陽機(jī)床集團(tuán)公司年產(chǎn)數(shù)控金切機(jī)床達(dá)到10008臺(tái)，占全國總產(chǎn)量16.8%，大連機(jī)床集團(tuán)公司年產(chǎn)數(shù)控金切機(jī)床4734臺(tái)，占全國總產(chǎn)量的7.9%，雙雙進(jìn)入世界數(shù)控金切機(jī)床生產(chǎn)大企業(yè)行列。截至2006年6月，共有大連機(jī)床、沈陽機(jī)床、秦川機(jī)床、上海電氣機(jī)床集團(tuán)、哈爾濱量具刃具集團(tuán)公司、北京第一機(jī)床廠、杭州機(jī)床集團(tuán)公司等7家國內(nèi)企業(yè)，并購了10家國外知名的機(jī)床工具企業(yè)，在國際化經(jīng)營中邁出了可喜的一步，提高了中國機(jī)床工業(yè)在國際上的知名度，為行業(yè)引進(jìn)技術(shù)、發(fā)展成套和擴(kuò)大出口創(chuàng)造了條件。目前，我國是機(jī)床生產(chǎn)大國，但不是機(jī)床制造強(qiáng)國，國產(chǎn)機(jī)床的發(fā)展仍然難以支撐國民經(jīng)濟(jì)和國防軍工的需要。與世界先進(jìn)水平相比差距仍然十分明顯。一是國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床在品種、水平和數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國內(nèi)發(fā)展需求。盡管近幾年國產(chǎn)機(jī)床市場銷售量不斷提高，至2005年進(jìn)口機(jī)床在國內(nèi)市場占有率仍高達(dá)60%，其中汽車、航空、航天、兵器、造船、通用機(jī)械等行業(yè)是主要進(jìn)口大戶。2002～2005年，我國已經(jīng)連續(xù)四年成為世界最大的機(jī)床進(jìn)口國，以2004年進(jìn)口為例，從日本、臺(tái)灣、德國進(jìn)口分別占國內(nèi)市場19.7%、12.1%和8.6%。二是國產(chǎn)功能部件和數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展滯后，成為數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，尤其是為高檔數(shù)控機(jī)床配套的關(guān)鍵功能部件和數(shù)控系統(tǒng)。三是機(jī)床制造企業(yè)技術(shù)裝備水平不高，行業(yè)制造能力、綜合管理和服務(wù)能力等方面不能滿足市場快節(jié)奏的要求。1.3我國機(jī)床行業(yè)的發(fā)展前景21世紀(jì),我國機(jī)床制造業(yè)既面臨著提升機(jī)械制造業(yè)水平的需求而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī),也遭遇到加入WTO后激烈的市場競爭的壓力。從技術(shù)層面上來講,加速推進(jìn)數(shù)控技術(shù)將是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成的制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。另一方面，通過持續(xù)的研究，信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步提升。目前，世界先進(jìn)制造技術(shù)不斷興起，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，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，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床正在朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展。(1).高速度、高精度化速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，數(shù)控系統(tǒng)采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運(yùn)算速度。同時(shí)，采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補(bǔ)運(yùn)算的速度和精度。并采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)的直線伺服進(jìn)給方式，其高速度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性相當(dāng)優(yōu)越。采用前饋控制技術(shù)，使追蹤滯后誤差大大減小，從而改善拐角切削的加工精度。為適應(yīng)超高速加工的要求，數(shù)控機(jī)床采用主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)了變頻電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸一體化，主軸電機(jī)的軸承采用磁浮軸承、液體動(dòng)靜壓軸承或陶瓷滾動(dòng)軸承等形式。目前，陶瓷刀具和金剛石涂層刀具已開始得到應(yīng)用。(2).多功能化動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)(刀庫容量可達(dá)100把以上)的各類加工中心，能在同一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)實(shí)現(xiàn)銑削、鏜削、鉆削、車削、鉸孔、擴(kuò)孔、攻螺紋等多種工序加工，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床還采用了多主軸、多面體切削，即同時(shí)對一個(gè)零件的不同部位進(jìn)行不同方式的切削加工。數(shù)控系統(tǒng)由于采用了多CPU結(jié)構(gòu)和分級中斷控制方式，即可在一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)進(jìn)行零件加工和程序編制，實(shí)現(xiàn)所謂的“前臺(tái)加工，后臺(tái)編輯”。為了適應(yīng)柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的要求，數(shù)控系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離串行接口，甚至可以聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對多臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。(3).智能化控機(jī)床將引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)，根據(jù)切削條件的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)工作參數(shù)，使加工過程中能保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較小的表面粗糙度，同時(shí)也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率。具有自診斷、自修復(fù)功能，在整個(gè)工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時(shí)對CNC系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設(shè)備進(jìn)行自診斷、檢查。一旦出現(xiàn)故障時(shí)，立即采用停機(jī)等措施，并進(jìn)行故障報(bào)警，提示發(fā)生故障的部位、原因等。還可以自動(dòng)使故障模塊脫機(jī)，而接通備用模塊，以確保無人化工作環(huán)境的要求。為實(shí)現(xiàn)更高的故障診斷要求，其發(fā)展趨勢是采用人工智能專家診斷系統(tǒng)。(4).數(shù)控編程自動(dòng)化算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前CAD／CAM圖形交互式自動(dòng)編程已得到較多的應(yīng)用，是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新趨勢。它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，再經(jīng)計(jì)算機(jī)內(nèi)的刀具軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和后置處理，從而自動(dòng)生成NC零件加工程序，以實(shí)現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前又出現(xiàn)了CAD／CAPP／CAM集成的全自動(dòng)編程方式，它與CAD／CAM系統(tǒng)編程的最大區(qū)別是其編程所需的加工工藝參數(shù)不必由人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫獲得。(5).可靠性最大化床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標(biāo)。數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，來提高可靠性。通過硬件功能軟件化，以適應(yīng)各種控制功能的要求，同時(shí)采用硬件結(jié)構(gòu)機(jī)床本體的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化及系列化，使得既提高硬件生產(chǎn)批量，又便于組織生產(chǎn)和質(zhì)量把關(guān)。還通過自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實(shí)現(xiàn)對系統(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。利用報(bào)警提示，及時(shí)排除故障；利用容錯(cuò)技術(shù)，對重要部件采用“冗余”設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)故障自恢復(fù)；利用各種測試、監(jiān)控技術(shù)，當(dāng)生產(chǎn)超程、刀損、干擾、斷電等各種意外時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。(6).控制系統(tǒng)小型化數(shù)控系統(tǒng)小型化便于將機(jī)、電裝置結(jié)合為一體。目前主要采用超大規(guī)模集成元件、多層印刷電路板，采用三維安裝方法，使電子元器件得以高密度安裝，較大規(guī)?？s小系統(tǒng)的占有空間。而利用新型的彩色液晶薄型顯示器替代傳統(tǒng)的陰極射線管，將使數(shù)控操作系統(tǒng)進(jìn)一步小型化。這樣可以方便地將它安裝在機(jī)床設(shè)備上，更便于對數(shù)控機(jī)床的操作使用。2總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)完成CA6140普通車床進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇步進(jìn)電機(jī)，控制器部分選擇單片機(jī)。要求系統(tǒng)分辨率縱向：0.01mm/步，橫向：0.005mm/步。一．課程設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)加工最大直徑：Φ400mm（橫向進(jìn)給大于200mm）加工最大長度：1000mm（縱向進(jìn)給大于1000mm）滑板及刀架重力：縱向800N，橫向600N刀架快速速度：縱向2.4m/min，橫向1.2m/min最大切削進(jìn)給速度：縱向0.5m/min，橫向0.25m/min主電機(jī)功率：7.5KN（不涉及）控制坐標(biāo)數(shù)：2最小指令值：縱向0.15mm/脈沖；橫向：0.005mm/脈沖啟動(dòng)加速時(shí)間：30m/s2.2機(jī)床改造總體方案設(shè)計(jì)要求方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式，伺服系統(tǒng)的類型，計(jì)算機(jī)的選擇，以及傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。（1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能，還要求能暫停，進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。（2）車床數(shù)控化改裝后屬于經(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)簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。（3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用8位微機(jī)。在8位微機(jī)中，MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、具有很高的性價(jià)比，因此，可選MCS—51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。（5）設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。（6）縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。（7）為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)。（8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。（9）原機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動(dòng)量，以降低成本縮短改造周期。（10）機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。2.3進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)方案數(shù)控改造中主要機(jī)械部件改裝探討一臺(tái)新的數(shù)控機(jī)床，在設(shè)計(jì)上要達(dá)到：有高的靜動(dòng)態(tài)剛度；運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)無間隙；功率大；便于操作和維修。機(jī)床數(shù)控改造時(shí)應(yīng)盡量達(dá)到上述要求。不能認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求，還應(yīng)對主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造使其達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求，才能獲得預(yù)期的改造目的?；瑒?dòng)導(dǎo)軌副對數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時(shí)要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑。齒輪副一般機(jī)床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動(dòng)精度，數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等級都比普通機(jī)床高。在結(jié)構(gòu)上要能達(dá)到無間隙傳動(dòng)，因而改造時(shí)，機(jī)床主要齒輪必須滿足數(shù)控機(jī)床的要求，以保證機(jī)床加工精度?；瑒?dòng)絲杠與滾珠絲杠絲杠傳動(dòng)直接關(guān)系到傳動(dòng)鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動(dòng)扭矩要求。被加工件精度要求不高時(shí)可采用滑動(dòng)絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計(jì)誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動(dòng)絲杠應(yīng)不低于6級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動(dòng)絲杠相對滾珠絲杠價(jià)格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動(dòng)效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動(dòng)力矩和運(yùn)動(dòng)時(shí)力矩相接近，可以降低電機(jī)啟動(dòng)力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。安全防護(hù)必須以安全為前提。在機(jī)床改造中要根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時(shí)要嚴(yán)防灰塵特別是切屑及硬砂粒進(jìn)入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護(hù)罩。大拖板與滑動(dòng)導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動(dòng)面損傷導(dǎo)軌3進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)需要改動(dòng)的主要部分有掛輪架、進(jìn)給箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一種方案：掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動(dòng)軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。進(jìn)給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副、橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。刀架：拆除原刀架，改裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)四方刀架總成。3.2橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當(dāng)量、計(jì)算切削力滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型、齒輪傳動(dòng)計(jì)算、步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型等。計(jì)算簡圖如圖1所示：圖13.2.1確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是指一個(gè)進(jìn)給脈沖使機(jī)床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量,它是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本參數(shù)。因此,脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)床精度的要求來確定。對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床來說，常采用的脈沖當(dāng)量為0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當(dāng)量fp為0.15mm/step。橫向脈沖當(dāng)量為fp=0.005mm/step。3.2.2橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟（1）型號選擇1）最大工作載荷計(jì)算由于導(dǎo)向?yàn)橘N塑導(dǎo)軌，則：k=1.4f’=0.05,F1為工作臺(tái)進(jìn)給方向載荷，F(xiàn)l=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h,最大工作載荷：Fm=kF1+f’(Fv+2Fc+G)=1.4×2144+0.05(5360+2×1340+9.8×75)=3440.4N2）最大動(dòng)載荷的計(jì)算V橫=1400r/min×0.79mm/r=1106mm/minn橫絲=v橫×1/2/L0縱=1106×1/2/4=138.25r/minL=60nt/=60×138.25×15000/106=124.43C=QUOTE3LfmFm=QUOTE3124.43×1.5×3440.4=25763.7N∴初選滾珠絲杠型號為：CD50×6-3.5-E其基本參數(shù)為Dw=3.969mm,λ=2o11’,L0=6mm,dm=50mm,圈數(shù)×列數(shù)×3.5×1(2)橫向滾珠絲杠的校核1）傳動(dòng)效率η計(jì)算η==tgλ/tg(λ+φ)=tg2o11’/tg(2o11’+10’)=93%2)剛度驗(yàn)算1.絲杠的拉壓變形量δ1=±Fm×L/EA=±3440.4×320/20.6×104×π×252=±0.0027mm2.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2=0.0013×QUOTEFm3DwFyjz?2=0.0013×QUOTE3440.43369×3440.43×145.362QUOTE=0.0070mm在這里Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118NZ=πdm/Dw=3.14×50/3.969=39.56Z∑=39.56×3.5×1=138.48絲杠的總變形量δ=δ1+δ2=0.0027+0.0070=0.0097mm<0.015mm查表知E級精度允許的螺距誤差為0.015mm，故所選絲杠合格3.2.3齒輪有關(guān)計(jì)算(1)縱向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算1）有關(guān)齒輪計(jì)算，由前面的條件可知：工作臺(tái)重量：W=80kgf=800N(根據(jù)圖紙粗略計(jì)算)滾珠絲杠的導(dǎo)程:Lo=12mm步距角:α=0.75°/step脈沖當(dāng)量:δp=0.15mm/step快速進(jìn)給速度：Vmax=2.4m/min所以,變速箱內(nèi)齒輪的傳動(dòng)比i=QUOTEZ1Z2QUOTE=QUOTEΦL0360δpQUOTE=0.75×12/360×0.15QUOTEQUOTE=1.66齒輪的有關(guān)參數(shù)選取如下:Z1=32,Z2=40,模數(shù)m=2mm齒寬b=20mm壓力角α=20°齒輪的直徑d1=mz1=2×32=64mmd2=mz1=2×40=80mmdα2=d1+2ha*=68mmdα2=d2+2ha*=84mm兩齒輪的中心矩a=QUOTEd1+d22=QUOTE64+802=72mm2）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算工作臺(tái)質(zhì)量折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:J1=WQUOTE(QUOTE180δpπΦQUOTE)2=QUOTE(180×0.15/3.14×0.75QUOTE)2×80×QUOTE1100=0.467kg.cm2對材料為鋼的圓柱形零件,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算:J=7.8×10-4D4Lkg.cm2式中D圓柱形零件的直徑,cmL零件的軸向長度,cm所以,絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:J1=7.8×10-4+D4L1=7.8×10-4×3.24×140.3=11.475kg.cm2齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:QUOTEJz1=7.8×10-4×6.44×2=2.617kg.cm2QUOTEJz2=7.8×10-4×84×2=6.39kg.cm2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小,可忽略。因此，折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=(1/i2)QUOTE（JS+Jz2）+Jz1+J1=(QUOTE1/2.52)（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942kg.cm2=59.42N.cm2 3）所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩M=Mamax+Mf+Mo最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt快速進(jìn)給時(shí)所需力矩M=Mf+Mo式中,Mamax空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速度力矩;Ma折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速度力矩;Mf折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩;Mo由絲杠預(yù)緊所引起,折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦力矩;Mat切削時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速力矩;Mt折算到電動(dòng)機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩;Ma=QUOTEJn9.6T×10-4N.m式中,J轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg.cm2n絲杠轉(zhuǎn)速,r/minT時(shí)間常數(shù),s當(dāng)n=nmax時(shí)Ma=Mamaxnmax=QUOTEVmaxL0=QUOTE2000×2.512QUOTE=416.7r/minMamax=QUOTEQUOTE5.942×416.79.6×0.025×10-4=2.49N.m當(dāng)n=nt時(shí),Ma=matnt=QUOTEn主L0=QUOTE1000VπDL0QUOTE=QUOTE1000×100×0.3×2.53.14×80×12QUOTE=24.88r/minMat=QUOTEQUOTE59.42×24.889.6×0.25×10-4=0.0616N.mMf式中f’導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)nt切削加工時(shí)的轉(zhuǎn)速，r/min;w移動(dòng)不見的重量，N;Lo絲杠導(dǎo)程，cm;i傳動(dòng)比；η傳動(dòng)效率。當(dāng)η=0.8f’=0.16時(shí)，Mf=QUOTEQUOTE0.16×800×1.22×3.14×0.×2.5=12.23N.cmMo式中，ηo絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率，取0.9FO預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的1/3，即FP/3則MoQUOTE=QUOTE1340×1.26×3.14×0.8×2.5×(1-0.92)QUOTEQUOTEQUOTE=8.108N.cmMtQUOTE=QUOTE1340×1.22×1.2×0.8×2.5QUOTE=128N.cm所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338N.cm切削時(shí)所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42N.cm快速進(jìn)給時(shí)所需力矩M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338N.cm由以上分析計(jì)算可知：所需最大力矩Mamax發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)Mmax=123.338N.cm(2)橫向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算1)有關(guān)齒輪計(jì)算，由前面的條件可知：工作臺(tái)重量：W=30kgf=300N(根據(jù)圖紙粗略計(jì)算)滾珠絲杠的導(dǎo)程:Lo=4mm步距角:α=0.75°/step脈沖當(dāng)量:δp=0.005mm/step快速進(jìn)給速度：Vmax=0.25m/min所以,變速箱內(nèi)齒輪的傳動(dòng)比i=QUOTEZ1Z2QUOTEQUOTE=QUOTEΦL0360δpQUOTEQUOTE=QUOTE0.75×4360×0.005=53QUOTEQUOTE=1.67齒輪的有關(guān)參數(shù)選取如下:Z1=18,Z2=30,模數(shù)m=2mm齒寬b=20mm壓力角α=20°d1=36mmd2=60mmda1=40mmda2=64mma=48mm2)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算工作臺(tái)質(zhì)量折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:J1=WQUOTE(QUOTE180δPπΦQUOTE)2=QUOTE(QUOTEQUOTE180×0.0053.14×0.75)2×30×1/100=0.0439kg.cm2絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:Js=7.8×10-4×24×50=0.624kg.cm2齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:QUOTEJz1=7.8×10-4×3.64×2=0.262kg.cm2QUOTEJz2=7.8×10-4×64×2=2.022kg.cm2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小,可忽略。因此，折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=(1/i2)QUOTE（JS+Jz2）+Jz1+J1=(QUOTE3/5)2（0.624+2.022）+0.262+0.0439=1.258kg.cm2=12.58N.cm23)所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算nmax=QUOTEVmaxL0=QUOTE10004×53QUOTEQUOTE=416.7r/minMamax=QUOTEQUOTEQUOTE1.258×416.79.6×0.025×10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cmntQUOTE=QUOTE1000VπDfiL0QUOTE=QUOTE1000×100×0.15×53.14×60×4×3QUOTEQUOTE=33.17r/minMat=QUOTEQUOTE1..258×33.179.6×0.025QUOTE×10-4=0.0174N.m=0.174kgf.cmMf=QUOTEF0L02πNJ=QUOTE0.2×30×0.4×22×3.14×0.8×5=0.287kgf.cm=0.028N.mMo=QUOTE214.4×0.4×36×3.14×0.8×5×(1-0.92)=0.649kgf.cmQUOTEQUOTEQUOTE=0.065N.mMtQUOTEQUOTE=QUOTE214.4×0.4×32×3.14×0.8×5=10.242kgf.cmQUOTEQUOTE=1.024N.m所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm=25.32N.cm切削時(shí)所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52N.cm快速進(jìn)給時(shí)所需力矩M=Mf+Mo=0.287+0.649=0.936kgf.cm=9.36N.cm由以上分析計(jì)算可知：所需最大力矩Mamax發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)Mmax=2.532kgf.cm=25.32N.cm4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用的基本原則合理選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇。現(xiàn)僅就選用步進(jìn)電機(jī)最基本的原則介紹如下：4.1.1步距角α步距角應(yīng)滿足α≤QUOTEamini式中，i傳動(dòng)比αmin系統(tǒng)對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件要求的最小轉(zhuǎn)角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精度可以用步距誤差或累積誤差衡量，累積誤差是指轉(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，用累積誤差衡量精度比較實(shí)用，所選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足：△θm≤i[△θs]式中，△θm步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的累積誤差。[△θs]系統(tǒng)對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差。4.1.2轉(zhuǎn)矩為了使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)（不失步，不越步）正常啟動(dòng)并滿足對轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮以下條件起動(dòng)力矩。一般選取為Mq≥MLo/0.3-0.5式中，Mq電動(dòng)機(jī)起動(dòng)力矩MLo電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載力矩根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)，啟動(dòng)力矩選取如表（1）所示，表中MJM為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜載矩，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的。表（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)、拍數(shù)啟動(dòng)力矩表運(yùn)行方式相數(shù)33445566拍數(shù)3648510612Mg/Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力矩與電動(dòng)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。4.1.3啟動(dòng)頻率由于步進(jìn)電動(dòng)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，ft極限啟動(dòng)頻率，[fop]m要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高啟動(dòng)頻率。4.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選折4.2.1CA6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定Mq=QUOTEML00.4=25.320.4QUOTEQUOTE=63.3N.cm電動(dòng)機(jī)仍選用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjm為：Mjm=QUOTEMq0.866=63.30.866QUOTEQUOTE=73.09N.cm步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高工作頻率：fmax=QUOTEVmax60δp=100060×0.005QUOTEQUOTE=3333.3HZ為了便于設(shè)計(jì)和采購，仍選用90BF002型直流電動(dòng)機(jī)，能滿足使用要求。5主軸交流伺服電機(jī)5.1主軸的變速范圍主軸能實(shí)現(xiàn)的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為變速范圍Rn，即Rn=nmax/nmin,數(shù)控機(jī)床的工藝范圍寬，切削速度與刀具，工件直徑變化很大，所以主軸變速范圍很寬。由于Nmax=1800nmax=14Nmax/nj=2nj/min則nj=QUOTE1800×142=113r/min這里nj為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速該機(jī)床主軸要求的恒功率調(diào)速范圍Rn為：Rn=nmax/nj=1800/113=15.9主軸電機(jī)的功率是：7.5kw5.2初選主軸電機(jī)的型號選主軸電機(jī)的型號為：SIMODRIVE系列交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型號為1HP6167-4CB4，連續(xù)負(fù)載PH/KW=14.5，間隙負(fù)載（60%）/kw=17.5kw,短時(shí)負(fù)載（20min）/kw=19.25kw,額定負(fù)載n/r.min-1=5000,最大轉(zhuǎn)速nmax/r/min=8000，額定轉(zhuǎn)矩277N.m,慣性矩0.206/kg.m2晶體管PWM變頻器型號為6SC6058-4AA025.3主軸電機(jī)的校核電動(dòng)機(jī)恒恒功率調(diào)速范圍：Rn=nmax/nmin=8000/5000=16所以所選電動(dòng)機(jī)型號的調(diào)速范圍滿足主軸所要求的調(diào)速范圍。6微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)6.1硬件電路的設(shè)計(jì)硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是軟件編程的前提，數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括以下幾部分內(nèi)容：據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結(jié)構(gòu)圖。機(jī)床硬件電路由五部分組成：主控制器，即中央處理單元CPU；總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；接口，即輸入/輸出接口電路；外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器等。6.2軟件電路的設(shè)計(jì)軟件是硬件的補(bǔ)充。確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)軟件