X6132A型万能卧式铣床的数控化改造

毕业设计任务书机电工程系一、设计课题名称：X6132A 型万能卧式铣床的数控化改造二、指导教师：石金艳三、设计要求：采用数控装置和伺服装置，对 X6132A 型万能卧式铣床进行数控化改造。要求能进行铣削数控加工，达到或超过原铣床加工性能。数控装置、伺服装置选择合理，控制系统设计简单可靠，保护措施完备。四、设计依据：X6132A 型万能卧式铣床控制要求、电气原理图及相关参数；数控装置型号规格参数；进给伺服系统型号规格参数；常用低压控制电器型号规格参数。五、参考资料：熊光华主编数控机床北京：机械工业出版社；2002廖兆荣主编机床电气自动控制北京：化学工业出版社；2003王爱玲主编现代数控机床结构与设计北京：兵器工业出版社；1999余良英编著机床数控改造设计与实例北京：机械工业出版社；1998白恩远主编现代数控机床伺服及检测技术北京：国防工业出版社；2002袁任光编著交流变频调速器选用手册广州：广东科技出版社，2002曾毅等编著变频调速控制系统的设计与维护济南：山东科学技术出版社，李荣生主编电气传动控制系统设计指导北京：机械工业出版社，2004姜德希编机床电气线路图册北京：中国农业出版社编写组编著工厂常用电气设备手册上、下册北京：中国电力出版社，1997六、设计内容进度及工作量(一)设计内容和进度要求序号进度要求设计内容1 1 周了解铣床的传动、控制、加工性能，分析国内外数控铣床的结构、控制和加工要求。0.5 周 对进给、主轴传动系统进行分析计算，选择拖动电机并确定传动系统改造方案21 周 完成进给、主轴传动系统改造图0. 5 周 选择进给伺服装置30. 5 周 完成伺服系统控制设计，并完成伺服系统控制原理图。4 0. 5 周 选择数控装置。1 周 完成电气原理图草图50. 5 周 完成电气原理图0. 5 周 伺服系统调试设计0. 5 周 数控装置调试设计。60.5 周 机床安装及调试设计。7 2 周 编写设计说明书。8 1 周 毕业设计答辩准备及答辩。(二)工作量设计说明书：总体方案设计；进给轴机械传动设计；伺服装置选型；伺服系统控制设计；数控装置选型；电气控制系统设计；机床安装与调试设计； 图纸：机械装配图；伺服系统控制原理图；电气安装接线图；电气原理图；元器件清单；七、说明书的格式和装订要求（一）毕业设计封面（全系统一格式）（二）毕业设计评阅书（全系统一格式）（三）评分标准（全系统一格式）（四）毕业设计任务书（指导教师下发）（五）毕业设计明细表（全系统一格式）（六）目录（七）毕业设计正文（八）设计图纸（九）毕业设计总结（十）参考资料八、毕业设计课题审批表审批具体意见 审查部门负责人意见专业负责人 时 间 年 月 日学术负责人 时 间 年 月 日绪论毕业设计是我们大学生在毕业前进行的一次综合性的总复习，也是一次理论联系实际的练习，是对我们所学专业知识的一次全面的检验;毕业设计是一项综合的系统的工作，它要求我们每个大学毕业生全面系统地运用专业知识，综合现场需要，科学，合理设计，因而它要求具有科学性，合理性和可操作性。毕业设计是在学习了三年数控维修专业知识以后，对所学知识的一种综合体现，把所学知识能够运用到实际机床的设计中，是在我们学完了大学基础课，技术基础课，以及大部分专业课之后进行的。毕业设计作为大学生离校前的最后一项重要工作，势必有它独特的，无法比拟的作用。通过对该机床的设计，使我认识到机床必须具备怎样的结构要求和技术要求，要满足其结构和技术要求，我们在实际运用中又应该怎样正确的操作加以保证该要求，在需要维修时，使我们了解到怎样才能正确的找出故障，并且如何正确的维修好机床,同时，怎样好的让机床发挥出最大的能力来加工产品。本设计课题是对 X6132A 型万能卧式铣床的数控化改造。就我们而言，应当通过这次毕业设计，得到以下能力方面的锻炼与提升。1、加强对机床本身的了解，加强理论知识与实际中的统一，消除对实践的不重视，调整好自己的心态面对以后的道路。2、提高自身的设计能力，加强自己的设计和实际操作能力。3、学会怎样查询各种手册和专业资料，并且能够迅速的查询出自己所需的正确数据。4、学会怎么样将自己的知识融合在一起，形成一个综合的理论知识。5、通过毕业设计，全面掌握机床的机械部分和电气部分，为自己掌握其它机床的改造与维修打下基础。希望通过这次设计，对自己未来从事的工作打下一定的基础，同时毕业设计得到了石金艳老师的大力帮助，在此表示感谢。但由于能力有限，设计尚有许多不足之处，希望各位老师指出错误，感激不尽。目 录第 1 章 前 言 .11.1 数控系统的发展历程 .11.2 国内外数控系统发展 .11.3 对我国数控技术及其产业发展的基本估计 .21.4 数控未来发展的趋势 .3第 2 章 总体改造方案的确定 .42.1 X6132A 铣床介绍 .42.2 X6132A 铣床数控化改造的要求和方案确定 .5第 3 章 数控系统的确定 .73.1 数控系统的选择 .73.2 数控系统介绍 .7第 4 章 主传动系统的改造 .104.1 主传动系统改造思路 .104.2 主轴部件 .104.3 变频器的选择 .134.4 主轴编码器的选用 .15第 5 章 进给系统的改造 .175.1 滚珠丝杠螺母副的设计，计算和选型 .175.2 齿轮传动比计算 .205.3 伺服电机的计算和选用 .215.4 伺服机械传动部分的改造 .245.5 伺服驱动装置的选用 .25第 6 章 自动拉刀装置的设计 .276.1 刀具自动夹紧机构 .276.2 拉刀装置的工作原理 .27第 7 章 机床安装及调试 .297.1 数控机床的安装 .297.2 系统的调试 .307.3 数控系统参数设定 .32参考文献 .39第 1 章 前 言1.1 数控系统的发展历程自第一台数控机床在美国问世至今的半个世纪内，机床数控技术的发展迅速，经历了六代两个阶段的发展过程。其中，第一个阶段为 NC 阶段；第二个阶段为 CNC 阶段，从 1974 年微处理器开始用于数控系统，即为第五代数控系统。在近 20 多年内，在生产中，实际使用的数控系统大多是这第五代数控系统，其性能和可靠性随着技术的发展得到了根本性的提高。从 20 世纪 90 年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进，PC 微机的发展尤为突出，无论是软硬件还是外器件的进展日新月异，计算机所采用的芯片集成化越来越高，功能越来越强，而成本却越来越低，原来在大，中型机上才能实现的功能现在在微型机上就可以实现。在美国首先推出了基于 PC 微机的数控系统，即 PCNC 系统，它被划入为所谓的第六代数控系统。我国从发展数控技术的战略高度出发，结合国民经济发展的特点对数控技术进行创新性研究，重点开发“开放式、智能化”的数控铣床，数控加工中心集数控电加工机床系类产品。1.2 国内外数控系统发展随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM 与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC 只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过 CAD/CAM 及自动编程系统进行编制。CAD/CAM 和 CNC 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正 CAD/CAM 中的设定量，因而影响 CNC 的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了 CNC 向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。1.3 对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段。在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五” 、 “七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程 ,特别是经过 4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。1、战略考虑我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，所以，我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看,因为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生活水平 ,而且还可缓解我国就业的压力,保障社会的稳定;其次从国防安全看 ,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 ,对我国实现禁运和限制 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。2、发展策略从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系统的方法 ,选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向 ,即以数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控铣床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模，就不会有价值低廉而富有竞争力的产品;当然 ,没有规模，中国的数控装备最终难有出头之日，没有规模，中国只能做制造大国，无法向制造强国转变。1.4 数控未来发展的趋势1、继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。PC 机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。2、向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。3、向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。第 2 章 总体改造方案的确定2.1 X6132A 铣床介绍1、主要参数表 2-1 X6132A 型铣床主要参数型号 X6132、X6132A（万铣）工作台面积（毫米） 3201320纵向（手动/机动） 700/680横向（手动/机动） 255/240工作台行程（毫米）升降（手动/机动） 320/300工作台进给级数 18纵向 23.5-1180横向 23.5-1180工作台进给范围升降 8-394主轴端面至工作台距离（毫米） 30-350主轴变速级数 18主轴变速范围（转/分） 30-1500主电机功率（千瓦） 5.5 (可选 7.5)机床外形尺寸（长宽高）（毫米） 229417701665机床质量（千克） 26502、X6132A 主要性能X6132A 万能铣床是一种卧式万能升降台铣床，该产品操作方便，性能、质量稳定，机床具有操作灵活便，万能性广等特点。 X6132A 万能铣床的配置相应附件可以扩大机床的加工范围，可用圆柱铣刀、圆片铣刀、角度铣刀、成型铣刀、端面铣刀及棒状铣刀等来进行平面、斜面、沟槽、切断及成形面的加工，还可以进行钻、镗、插加工。 X6132A 万能铣床的装置分度头时，可铣切花键、直齿圆珠、齿轮、伞齿轮和铰刀以及类似零件。当工作台回转一定角度，可铣切螺旋面（如铣头槽、螺旋齿轮等）。采用镗刀杆后亦可对中、小零件进行孔加工。加装立铣头，可用立铣刀进行切削加工（立铣头为特殊附件) 可进一步扩大机床使用范围。2.2 X6132A 铣床数控化改造的要求和方案确定1、X6132A 铣床数控化改造的要求1) 能够实现主轴的正反转，实现不同切削速度的主轴变速。2) 能够实现几根轴的联动，能够加工比较复杂的工件。3) 进给伺服能够精准的定位和到达，等等。这些内容都是数控化改造后数控机床需要实现的。2、X6132A 铣床数控化改造的方案数控机床由机床、数控系统和外围技术三部分组成。普通铣床改造的目的是利用数控系统控制铣床自动完成机械加工任务，提高铣床的加工精度和生产效率。在考虑经济型数控机床改造具体方案时，所遵循的原则是在满足需要的前提下，对原有铣床尽可能减少改动，以降低改成本。改造中需要解决的问题是：将机械传动的进给和手动换刀改造成数控装置控制的自动拉刀装置和自动进给的数控加工铣床。根据 X6132A 铣床的有关资料，确定总体方案为：1)选定数控系统和伺服驱动系统数控系统是机床数控化改造的核心。数控改造的目的是要求机床稳定可靠,运转故障率低。数控系统的选择应依据价格适中,技术先进、服务方便的原则,不应单纯追求高性能指标。可采用进口的数控系统如日本的 FANUC 系统,德国的西门子系统,国产的主要有华中数控、广州数控等,也可综合机床实际,自行设计研制数控系统,改造成本会更低。伺服驱动系统有闭环、半闭环、开环 3 种方式。开环系统具有结构简单，系统稳定，调试简单，成本低等优点。但是因为系统对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度比较低，并且随着以后对零件的精密程度要求越来越高，开环系统的精密度可能达不到零件精密度的要求；半闭环系统中闭环回路不包含机械转动环节，所以可以获得稳定的控制度，又因为可用补偿的办法消除机械转动环节的误差，所以可以获得满意的精度，同时反馈过程中不稳定的因素的减少，因此调试方便，稳定好，目前应用比较广泛。闭环系统定位精度高，调速速度快，但该系统受进给丝杆的拉压刚度等非线性的影响，给调试造成很大的困难，如果各种参数匹配不当，将会引起系统震荡，造成不稳定，影响定位精度而且闭环系统复杂和成本高；综合成本和以后发展的需要，决定采用半闭环系统。2)丝杆螺母副的改造为保证进给伺服系统的传动精度、运转平稳性和机床加工精度,选用摩擦小、精度高、寿命长、低能耗、通用性强、传动效率高的滚珠丝杆螺母副,并应用预紧机构,以提高传动刚度和消除间隙。3)自动拉刀设计自动拉刀装置是数控改造的重要内容,通过将原机床的手动换刀替换成拉刀装置来实现换刀铣削,拉刀装置最常见的形式是液压系统控制,由数控系统直接控制,效率高,装刀速度快。4)主轴的改造主轴原先由主转动变速箱及主轴部件组成，通过轴，轴的两个三联滑移齿轮及轴上的一个双联滑移齿轮，使得主轴获得 18 种转速；改造后变成由变频器控制的无级调速系统，通过带传动带动主轴部件转动，必要时可以加装齿轮系统来增加主轴系统的调速范围。同时，加装主轴编码器以获得主轴的速度、位置信号，反馈给数控系统。5)交流同步伺服电机将交流同步伺服电机模拟成直流电机控制，利用定子磁场与转子磁场 N S磁极相互吸引的特性，因为直流电机定子磁场与转子力矩磁场成垂直，因此在交流伺服电机尾部需要加装编码器，以检测电机转子磁极位置。6)冷却液矿物油润滑、防锈油脂提高润滑性极压添加剂( 硫、磷、氯)提高刀具寿命乳化剂允许与水混合pH 引发剂提高防锈性能和生物稳定性杀虫剂控制细菌和霉菌去泡剂控制泡沫防氧化剂防止氧化，使有光泽颜料、香精客户喜好第 3 章 数控系统的确定3.1 数控系统的选择1、数控系统的选择数控机床的价格主要由数控系统来决定，从价格和以后发展的需要以及未来对机床加工出来的零件的精密度要求越来越高的要求我们决定选用德国SIEMENS 的 SINUMERK 802D 数控系统。802D 是在机床行业广泛采用的现代标准控制系统，它与 SINUMERIK_611 数字驱动系统和 SIMATIC S7300 可编程控制器一起，构成全数字控制系统。SINUMERK 802D 是将 CNC,PLC,人机界面HMI 和通讯集成于面板控制单元 PCU 的集成性数控系统。它可由 PROFIBUS总线连接 4 个数字进给轴和一个数字/模拟主轴及 I/O 模块。因此安装简单，布线费用低。控制系统的功能范围理想用于标准化的铣床和铣床，驱动系统的模块化结构为各种应用提供了最大灵活性。2、卧式铣床进行数控化改造1)主要是将 X 轴,Y 轴,Z 轴进给系统改造为用数控装置控制的、能独立运动的进给伺服系统。2)刀架改造成为能自动拉刀的换刀装置；由于加工过程中的铣削参数、铣削次序都会按程序自动进行调节和更换。3)再加上 X 轴，Y 轴和 Z 向进给联动的功能，数控改装后的铣床就可以加工出形状复杂的零件，并能实现多工序自动铣削。4)主轴通过无级变速来控制电机的转速，从而获得不同的主轴转速范围，以适应不同的转速要求。3.2 数控系统介绍1、SINUMERK 802D 数控系统特性如下 具有免维护性能同 SINUMERIK 802S/C BASE LINE 可控制 4 个进给轴和一个数字轴或模拟轴。通过生产现场总线PROFIBUS 将驱动器，输入输出模块连接起来 模块化的驱动装置 SIMODRIVE611UE 配套 1FK7 系列伺服电机，为机床提供了全数字化的动力。通过视窗化的调试工具软件（SimoCom U） ，可以便捷地设置驱动参数，并对驱动器的控制参数进行动态优化 继承了内置 PLC 系统，对机床进行逻辑控制。采用标准的 PLC 的编辑语言 Micro/WIN 进行控制逻辑设计。并且随机提供标准的 PLC 子程序库和示例程序，简化了制造厂设计过程，缩短了设计周期。2、西门子 802D 系统连接如图 3-1 所示图 3-1 西门子 802D 系统连接图3、操作台实物图图 3-2 操作台实物图1）显示器操作台的左上部为 10.4TFT 彩色液晶显示器。2）NC 键盘NC 键盘包括 MDI 键盘和 F1F10 十个功能键。 标准化的字母数字式键盘的大部分键具有上档键功能，当“UPPER”键有效时，指示灯亮，输入的是上档键。 NC 键盘用于零件程序的编制、参数输入、MDI 及系统管理操作等。3）机床控制面板标准机床控制面板的大部分按键（除“急停”按钮外）位于显示器的右边，机床控制面板用于直接控制机床的动作或加工过程。第 4 章 主传动系统的改造4.1 主传动系统改造思路在改造时,只留下一个变速级，拆除其余的变速机构,电动机采用变频器调速，来改变主轴的速度，由于变频器可实现主轴无极调速，故我们仍采用原有的交流异步电动机。用同步齿形带带动编码器，检测主轴速度、位置示意图如图 4-1 示。图 4-1 主传动示意图4.2 主轴部件主轴部件是数控铣床上的重要部件之一，它带动刀具旋转完成切削，其精度、抗振性和热变形对加工质量有直接的影响。4.2.1 主轴的支承 数控机床主轴的支承主要采用图 4-2 所示的三种主要形式。图 4-2a 所示结构的前支承采用双列短圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承。这种结构的综合刚度高，可以满足强力切削要求，是目前各类数控机床普遍采用的形式。图中 b 所示结构的前支承采用多个高精度向心推力球轴承，后支承采用单个向心推力球轴承。这种配置的高速性能好，但承载能力较小，适用于高速、轻载和精密数控机床。图中 c 所示结构为前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承。这种配置的径向和轴向刚度很高，可承受重载荷，但这种结构限制了主轴最高转速和精度，因而仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。图 4-2 主轴支承配置因为 X6132A 型数控铣床对于精度及转速的要求不高所以可以选择：前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承这种配置。4.2.2 主轴箱 主轴箱的设计：为了提高主轴的刚度和便于安装，将主轴设计成阶梯圆柱形，前端外径大，后端外径小，为实现更换刀具时能自动夹紧，主轴内部设计成空心。其前端有 7：24 锥孔，用于装锥柄刀具，并有自动定心作用，通过摩擦将刀柄夹紧于主轴的端部，大锥度既利于定心，也便于松夹。主轴端面装有定向键，既可传递切削的转矩，又可用于刀具的周向定位。主轴外圆柱面上有前后支承轴承的配合面。主轴的主要尺寸参数包括：主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。1、主轴直径 主轴直径越大，其刚度越强，但使得轴承和轴上的其他零件的尺寸相应增大。2、主轴内孔直径 主轴内径是用来通过刀具夹紧装置固定刀具的。主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素确定。主轴材料选用 38CrMoAIA。4.2.3 传动带传动带是以带作为中间挠性件，靠带与带轮间的摩擦力传递运动和动力。带呈环形，以一定的拉力（张紧力）F0 套在一对带轮上，使带和带轮相互压紧。带传动不工作时，带两边的拉力相等，均为 F0；工作时主动轮转动，带与带轮面间的摩擦力使其一边拉力加大到 F1 称为紧边拉力，另一边拉力减小到 F2，称为松边拉力。两者之差 F=F1-F2 即为带的有效拉力，它等于沿带轮的接触弧上摩擦力的总合。这样，就带动从动轮旋转了，一定条件下，摩擦力有一定的限度，若工作阻力超过极限值、带就在轮面上打滑，传动不能正常工作。传动带的优点是：结构简单，成本低，主、从动轮的中心距离较大，工作稳定，无噪声，过载时带打滑能防止其他零件损坏。缺点是：外部尺寸大，作用在轴和轴承上的力也较大，此外 V 带和平带传动有弹性滑动，不能保持恒定的传动比。V 带：V 带是截面为等腰梯形（或近似等腰梯形）的传动带。其两腰的夹.角为 40它的结构有帘布结构与线绳结构两种。一般采用帘布结构，在载荷不大、小直径或转速较高时采用线绳结构。它们的结构如图 4-3 所示，伸张层与压缩层采用弹性好的胶料，易于产生弯曲变形。包布层耐磨，起保护作用。强力层承受带的拉力。V 带根据截面尺寸由小到大的顺序排列，共有 Y、Z、A、B、C、D、E 七种。应用最多的是 A、B、C 三种。一般 V 带型号的截面尺寸和其所能传递的功率大小有关，传递的功率越大，选用的截面尺寸也越大。1-包布层 2-申张层 3-强力层 4-压缩层 图 4-3 V 带 截 面 图4.3 变频器的选择机床主传动的变速方式可分为无级变速和有级变速两种。无级变速：指在一定速度(或转速)范围内能连续、任意地变速。优点：可选用最合理的切削速度，没有速度损失，生产率高；可在运转中变速，减少了辅助时间；操纵方便；传动平稳。缺点：机械式和液压式无级变速结构较复杂；电气式成本较高。有级变速：指在若干固定速度(或转速)级内不连续地变速。优点：传递功率大，变速范围大，传动比准确，工作可靠。缺点：速度不能连续变化，有速度损失，传动不够平稳。 方案选择：根据所改造成数控机床的使用要求和结构特点，本方案选择电气无级变速。变频技术是应交流电机无极调速的需要诞生的，根据交流电动机的同步转速表达式： ps-1f60n）（n：异步电动机的转速f：异步电动机的电源频率s：电动机的转差率，因为 s 很小，一般取 0p：电动机的极对数，这里取 2根据公式可知，要想改变电动机的转速可以通过改变频率、转差率、极对数来改变；可是转差率和极对数在电机最开始的时候即固定了，所以只能通过改变频率来实现，变频器就是通过改变通入电动机的电源频率来改变电机的转速，从而实现主轴的无极调速。变频器容量选用基本原则是负载电流不超过变频器额定电流。因为变频器没有电动机过载能力强，先损坏的就是变频器，所以变频器保护功能要完善。变频器的供给电动机的是脉动电流，电动机在额定运行状态下，用变频器供电比用工频电网供电电流要大一些，所以选择变频器电流或功率要比电动机电流大一个等级。一般为：式中 变频器额定功率（KW） ； 电动机额定功率（ KW） ； 变频器额定电流（A） ； 电动机额定电流（A） 。所以我选择了西门子 G420 系列变频器。4.3.1 SINAMICS 420 变频器的简介MicroMasterG420 是 全 新 一 代 模 块 化 设 计 的 多 功 能 标 准 变 频 器 。 它 友 好的 用 户 界 面 ， 让 你 的 安 装 、 操 作 和 控 制 非 常 灵 活 方 便 。 全 新 的 IGBT 技 术 、强 大 的 通 讯 能 力 、 精 确 的 控 制 性 能 、 和 高 可 靠 性 都 让 控 制 变 成 一 种 乐 趣 。4.3.2 SINAMICS 420 变频器的主要技术数据表 4-1 主要技术数据SINAMICS G420 变频器的技术数据电源电压和额定输出功率200V-240V 10%，单相/三相，交流，0.12kW-5.5kW；380V-480V10%，三相，交流，0.37kW-11kW；运行温度 - 10 C 至 + 40 C控制方式 线性 v/f 控制，平方 v/f 控制，可编程多点设定 v/f 控制输入 数字量输入 3 个，模拟量输入 1 个，输出 模拟量输出 1 个，继电器输出 1 个与自动化系统的链接集成 RS485 通讯接口，可选 PROFIBUS-DP 通讯模块/Device-Net 模板4.3.3 SINAMICS 420 变频器的优点 过载能力为 150额定负载电流，持续时间 60 秒； 过电压、欠电压保护； 变频器过温保护； 接地故障保护，短路保护； I2t 电动机过热保护； 采用 PTC 通过数字端接入的电机过热保护； 采用 PIN 编号实现参数连锁； 闭锁电机保护，防止失速保护。 线性 v/f 控制，平方 v/f 控制，可编程多点设定 v/f 控制； 磁通电流控制（FCC） ，可以改善动态响应特性； 最新的 IGBT 技术，数字微处理器控制； 数字量输入 3 个，模拟量输入 1 个，模拟量输出 1 个，继电器输出 1 个； 集成 RS485 通讯接口，可选 PROFIBUS-DP 通讯模块/Device-Net 模板； 具有 7 个固定频率，4 个跳转频率，可编程； 捕捉再起动功能； 在电源消失或故障时具有自动再起动功能； 灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性； 快速电流限制（FCL） ，防止运行中不应有的跳闸； 有直流制动和复合制动方式提高制动性能； 采用 BiCo 技术，实现 I/O 端口自由连接4.4 主轴编码器的选用检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移（位置）和速度，发送反馈信号，构成半闭环控制。数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。不同类型的数控机床，对位置检测元件，检测系统的精度要求和被测部件的最高移动速度各不相同，主轴主要是工作在速度控制方式下，在主轴定向准停的时候工作在位置控制方式下；因此，根据实际需要我选择海德增量式 ISC4406-406E1024BZ1-5-12F 编码器。海德 ISC4406-406E 技术参数如表 4-2 所示：表 42 海德 ISC4406-406E 编码器具体参数输出波形 方波 储存温度 -40 100消耗电流 120 mA 工作湿度 30 85 无结霜响应频率 0100 KHZ 电源电压 或5%DC12v+4、载空比 0.5T0.1T 冲击力 980m/ 、6ms、X、Y、Z 方向各 2 次2s最大转矩 5000rmp 抗震力 50m/ 、10 、X、Y、Z 方向20H各 2 次起动力矩1.510 （+25 ）工作寿命 MTBF 2500h( 25 ；2000rpm)轴最大负载径向 20N横向 10N输出电压高电平 Vh 85%VCC；低电平Vi 0.3VCC防护防水、防油、防尘 IP54质量 0.1Kg工作温度 -25 80第 5 章 进给系统的改造5.1 滚珠丝杠螺母副的设计，计算和选型最大回转直径：工作台宽 320mm纵向快进速度：2.2m/min横向快进速度：1.2m/min垂向快进速度：0.75m/min纵向切削数据：0.06m/min横向切削速度：0.06m/min垂向切削速度：0.06m/min定位精度：0.015mm纵向移动部件重量：210kg横向移动部件重量：500kg垂向移动部件重量：1500kg加速时间：30ms机床效率：0.8机动范围：680mm/240mm/300mm工艺数据：工件加工余量-最大铣削宽度： ，最大铣削深度：刀具数据-高速钢圆柱铣刀，直径 32-40mm，刀齿数 3-4工艺数据-主轴转速 150-190rpm;40-60mm/min;每齿切厚 0.05-0.2mm 取 0.1mm。根据机床设计手册，对高速钢圆柱铣刀，以工件为碳钢计算=9.81 ZZFFZC0.86ea.72fp0.86d=68.2， =7， =0.1， =40,Z=4, =320dfpa0d5.1.1 丝杠的选择1、计算纵向进给牵引力 mF在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工中平均铣削条件为准， =9.81 Z =5528（N ） (4-1)ZFFZC0.86ea.72fp0.86d=1.1 ; =0.25 ; =0.375 HPV0PZF=1.1 =6081N;HPZF=0.25 =1382N;V=0.375 =2073N；0Z得 NPFNPFZYVHX 2073;0;158322 导轨类型为燕尾导轨= 1.41558+0.2(2073+20+2200) = 3.0358 ()mXZYFkfG(KN) 式中：导轨上的摩擦系数 0.2f移动部件重量 = 2200 NGG2、计算最大负载 C选用滚珠丝杠副的 d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100 万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠所能承受的最大动负载 C，计算如下：C = (4-2)3LmwFfL = 610Tnn = 0vs式中： L 0 滚珠丝杠导程 L 0 = 6 mm 最大切削力下的进给速度 = 0.03m/mins vsT 使用寿命 对于数控机床取 T = 15000 h 运转系数，无冲击运转 = 1.01.2，此处取 = 1.0wf wf wfL 寿命 ， 以 转为单位。610 n = = = 5r/min01vs.3L = = = 4.56T6510C = = 1.0w3035.8 =5012N=5.012kN3LmwFf34.53、滚珠丝杠副螺母的选型查阅精密滚珠丝杠副可采用 BNF4006-5 型外循环插管式，导管埋入式法兰型螺母。此螺母为单螺母丝杠副，额定动载荷为 = 27.7KNaC4、刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形将会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性。因此选用丝杠时应考虑丝杠的轴向刚度。丝杠的拉伸或压缩变形量 在总的变形1量中占很大的比重，所以要计算 是否满足要求： （不预紧）13总计算如下：在工作负载 的作用下引起导程 的变化量 ：mF0L= (4-3)FEm式中： 在工作负载 作用下引起每一导程的变化量（mm）L 工作负载，即进给牵引力（N）mF 滚珠丝杆导程（mm）0 材料弹性模量，对于钢 = 20.6 N/mmEE4102 滚珠丝杠横截面积 （按内径确定） （mm ）F 2= 3035.8N = 6mm = 20.6 N/mmm0L4= = =1256mm2d242 = = = mmLFEm01560.28344107.滚珠丝杠总长度上的变形量 := = = 0.0117 mm1L010674. 刚度 = 30.0117 = 0.0351 mm 0.015 (定位精度)13总因此，丝杠需预紧。同理，横向导轨类型为矩形导轨，进给牵引力为 1.21965(KN)，最大动负载为 2.014kN，滚珠丝杠副螺母选型采用 BNF3606-3 型外循环插管式，导管埋入式法兰型螺母。此螺母为单螺母丝杠副，额定动载荷为 = 15KN，刚aC度 0.009mm 0.015 (定位精度) 因此，丝杠不需预紧；Z 向导轨类型为燕尾导轨，进给牵引力为 5.5254 (KN)，最大动负载为9.122kN，滚珠丝杠副螺母选型采用 BNF6306-5 型外循环插管式，导管埋入式法兰型螺母。此螺母为单螺母丝杠副，额定动载荷为 = 45KN，刚度aC0.0126 mm 0.015 (定位精度) 因此，丝杠不需预紧；5.1.2 传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 = (4-4)tan(r式中： 摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 f =0.0030.004，摩擦角 约为 ,即 0.166710r 丝杠螺旋升角 丝杠中径 d = (d 1+d2)/2 = (19+16.7)/2 = 17.85 mmr = acrtan = arctan = 5.0977dL085.17 = = = 0.968)tan(r )6.09.5tan(5.2 齿轮传动比计算5.2.1 纵向丝杠传动比传动比 i： i = 齿轮比 U: U= （4-5） 21N12Z式中： N1 N2:为主、从动轮的转速（R/MIN）Z2 Z1:为大、小齿轮齿数对减速转动，U=I采用直齿圆柱齿轮，其转动比为 0.95根据实际结构要求取 ： ， , 。502Z523140Z5.2.2 横向丝杠的传动比传动比 i： i = 齿轮比 U: U= 21N1Z式中： N1 N2:为主、从动轮的转速（R/MIN）Z2 Z1:为大、小齿轮齿数对减速转动，U=I采用直齿圆柱齿轮，其转动比为 0.95根据实际结构要求取：， ; 。124Z305.2.3 Z 向丝杠的传动比传动比 i： i = 齿轮比 U: U= 2N12Z式中： N1 N2:为主、从动轮的转速（R/MIN）Z2 Z1:为大、小齿轮齿数对减速转动，U=I采用直齿圆柱齿轮，其转动比为 0.95根据实际结构要求取： ；21Z45.3 伺服电机的计算和选用1、转动惯量的计算，以纵向为例：齿轮 的转动惯量： kg .cm (4-6)1z41110.7832dLJ2 = ；41110.7832dLJ260.7mkg齿轮 的转动惯量 ：2z=41110.7832dLJ2610.7kg齿轮 的转动惯量 ：3z=41110.7832dLJ26102.53mkg丝杠的转动惯量=1959.4 41110.7832dLJ2610kg折算到电机轴上的转动惯量：212031)( JZLgGJZJS=4126.8kg/m 其中： 齿轮 的转动惯量 （kg .cm ）1J1z2 齿轮 的转动惯量 （kg .cm ）22 齿轮 的转动惯量 （kg .cm ）3J3z2 主轴的转动惯量 （kg .cm ）s2、电动力矩的计算电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩、工进负载时所需力矩等几部分分别计算。 快速空载起动时所需力矩 起M= 起M0maxf式中：