CA6140数控车床进给伺服系统机械部分设计

专业文档尽在我主页第 1 章 绪 论随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。1.1 数控机床的产生数控机床最早是从美国开始研制的。1948 年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949 年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于 1952 年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于 1955 年进入实用阶段。一直到 20 世纪 50 年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了 60 年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。1.2 数控机床的发展自 1952 年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控：1952-1959 年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控：从 1959 年开始采用晶体管电路的 NC 系统。第三代数控：从 1965 年开始采用小、中规模集成电路的 NC 系统。第四代数控：从 1970 年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。第五代数控：从 1974 年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。1.3 我国数控机床的发展概况我国从 1958 年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从 1965 年开始，研制晶体管数控系统，直到 60 年代末和 70 年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究。专业文档尽在我主页1972-1979 年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从 80 年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国GE 公司的 MTC-1 数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出 BSO3 经济型数控系统和 BSO4 全功能数控系统，航空航天部 706 所研制出 MNC864 数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。1.4 数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的 FANCU，德国的SIEMENS 和美国的 A-B 公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了 16 位和 32 位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB 以上，机床分辨率可达 0.1 微米，高速进给可达 100m/min,控制轴数可达 16 个，并采用先进的电装工艺。在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。1.5 数控机床进给系统改造的意义进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。因此，在设计传动结构，选用传动零件时应充分注意减小摩擦阻力，提高传动精度和刚度，消除传动间隙和减小运动惯量。 数控机床的进给运动采用无级调速的伺服驱动方式，伺服电机的动力和运动只需经过由最多一两级齿轮或带轮传动副和滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副组成的传动系统传动给工作台等运动执行部件。传动系统的齿轮副或带轮副的作用主要是通过降速来匹配进给系统的惯量和获得要求的输出机械特性，对开环系统，还起匹配所需的脉冲当量的作用。近年来，由于伺服电机及其控制单元性能的提高，许多数控机床的进给传动系统去掉了降速齿轮副，直接将伺服电机与滚珠丝杠连接。滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副的作用是实现旋转到直线的运动形式的转换。 一般的生产企业或者工科类职业学校，一般都不乏普通机床，而这些普通机床，已经满足不了产品不断改型或人才培养的需要，因此，对数控设备的需求就凸显出来了，为了减小投资，充分利用现有的机床设备，可对普通机床进行改造，以下将针对 CA6140 车床的进给系统，阐述将其改造成性能更好的数控车床。专业文档尽在我主页第 2 章 CA6140 车床进给伺服系统改造方案的拟订2.1 总体方案确定图 2-1 CA6140 普通车床数控化改造示意图CA6140 车床数控改造方案本文改造后的结构是一种非常典型卧式车床的数控改造结构，改造时拆除原机床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱、挂轮箱的挂轮、原手动刀架及手柄等部件，用滚珠丝杠替换原有普通丝杠、用电动刀架替换原有的普通刀架。纵向和横向进给采用步进电动机及减速器驱动，横向步进电动机及减速器装置安装在机床床鞍的后部，纵向的步进电动机减速器装置安装在机床的右端。由于被改装的机床本身的机械结构不是按数控机床的要求设计的，其精度和刚度等性能指标往往不能满足数控机床的要求，因此将普通机床改造为全功能的数控机床，一味追求先进指标则会得不偿失，所以确定总体方案的原则应当是在满足生产需要的前提下，对原机床尽可能减少机械部分的改动量，选择简单易用的数控系统，达到合理的性价比。本次改造设计要求就是根据这一原则提出的。根据设计要求、依据设计参数及机床数控改造的理解，进给系统总体方案确定如下：利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，驱动原件采用直流步进电机，传动系统采用滚珠丝杆；步进电机一级齿轮减速后，带动滚珠丝杆转动，从而实现进给运动。示意图如图 2-2 所专业文档尽在我主页示：图 2-2 进给系统设计总方案图2.2 CA6140 车床的设计参数根据型普通原始数据及数控改造设计要求，确定主要如表 2-1 所示：表 2-1车床身上： 400mm最大加工直径车床鞍上： 210mm最大加工长度： 1000mm纵向 2.4m/min快进速度横向 1.2m/min纵向 0.6m/min最大切削进给速度横向 0.3m/min纵向 0.01mm/step脉冲当量横向 0.005mm/step脉冲分配方式 逐点比较法控制坐标数 2专业文档尽在我主页机床定位精度 0.015纵向： 800N溜板及刀架重力横向： 600N自动生降速性能： 有起动加速时间： 30ms主电机功率： 7.5Kw专业文档尽在我主页第 3 章 数控系统的选择3.1 数控系统的选择3.1.1 数控系统的选择数控机床的价格主要由数控系统来决定，数控系统从功能上可分为低中高三档，中高档系统（如 Fanuc、LBNC2T 型、 FAGOR、SIEMENS、华中 HNC2T/2M 等）功能齐全，性能优良，但价格偏高。结合实际，从实用角度出发，我选择了华中 HNC21T 型数控车床系统，该系统采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业 PC，配置 7.5 彩色液晶显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式 PLC 接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式及软驱、DNC、以太网等程序交换功能，具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用可靠性高的特点，编程格式符合 ISO 国际代码标准，两轴动态坐标，具有自动加工、自动换刀、车螺纹和 MDI 等功能，是教学、生产两用型的数控系统。3.1.2 改造部分对卧式车床进行数控化改造,主要是将纵向和横向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；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。由于加工过程中的切削参数、切削次序和刀具都会按程序自动进行调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削。3.1.3 设计要求总体方案设计应考虑数控系统的运动方式、伺服系统的类型、数控系统的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。在制定总体方案时，要满足下列要求：1）卧式车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选择连续控制系统。2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给系统采用步进电动机开环控制系统。3）在卧室车床最大加工尺寸、加工精度、控制速度，以及经济性等条件下，经济型数控车床一般采用经济型数控系统。4）重新设计自动回转刀架及其控制电路。 5）纵向和横向几给是两套独立的传动链，它们由步进电动机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。6）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性要求，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度，消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。3.2 数控系统介绍3.2.1 操作台介绍华中“世纪星”HNC-21T 是一基于嵌入式工业 PC 的开放式数控系统，配备高性能 32 位微处理器、内装式 PLC 及彩色 LCD 显示器。采用国际标准 G 代码编程，与各种流行的 CAD/CAM专业文档尽在我主页自动编程系统兼容。 1） 、操作台结构HNC-21T 车床数控装置操作台为标准固定结构，外形尺寸为 420310110 毫米 （WHD） ，如图 3-1 所示。图 3-1 NC-21T 车床数控装置操作台2） 、 显示器操作台的左上部为 7.5彩色液晶显示器，分辨率为 640480。3） 、 NC 键盘NC 键盘包括精简型 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。4） 、 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）位于操作台的下部。机床控制面板用于直接控制机床的动作或加工过程。专业文档尽在我主页3.2.2 软件操作界面 HNC-21T 的软件操作界面如图 3-2 所示。其界面由如下几个部分组成：图 3-2 NC-21T 的软件操作界面1、 图形显示窗口 2、 菜单命令条 3、 运行程序索引 4、 选定坐标系下的坐标值，坐标系可在机床坐标系/工件坐标系 /相对坐标系之间切换；显示值可在指令位置/实际位置/剩余进给/跟踪误差/ 负载电流/补偿值之间切换。 5、 工件坐标零点在机床坐标系下的坐标 6、 辅助功能 M、S 、T ；当前刀位 CT、选择刀位 ST 7、 当前加工程序行 8、 当前加工方式、系统运行状态及当前时间 9、 当前坐标、剩余进给 10、直径/半径编程、公制/英制编程、每分钟进给/每转进给、快速修调、进给修调、主轴修调倍率专业文档尽在我主页第 4 章 机床进给伺服系统机械部分的设计和计算4.1 进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案4.1.1 纵向进给机械结构改造方案拆除原机床的进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱和滚珠丝杠螺母副。为了提高支承刚度，采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式。齿轮间隙采用双薄片调隙方式。利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杆仍安置在原来的位置，两端仍采用原固定方式。这样可减少改装工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，且外径比原先的大，从而使纵向进给整体刚度只可能增大。纵向进给机构都采用了一级齿轮减速。双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙。因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载大时，弹簧弹力显小，起不到消除间隙之目的；当负载小时，弹簧弹力又显大，则加速齿轮的磨损。因此，采用定期人工调整、螺钉紧固的办法消除间隙。4.1.2 横向进给机械结构改造方案拆除原中拖板丝杆，安装滚珠丝杆副，为提高横向进给系统刚度，支承方式采用两端装止推轴承。步进电机、齿轮箱安装于机床后侧，为了使减速机构不影响走刀，同时消除传动过程的冲击，减速机构采用二级传动，从动轮采用双薄片错位消除间隙。4.2 进给伺服机构机械部分的设计计算4.2.1 进择脉冲当量根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向:0.01mm/步，横向:0.005mm/步( 半径)。4.2.2 计算切削力（1）纵车外圆主切削力 Fz(N)按经验公式估算 :Fz=0.67Dmax1.5 （4-1） =0.67 x 4001.5 =5360按切削力各分力比例: F z:Fx:Fy=l:0.25:0.4Fx = 5360 x 0.25 = 1340Fy = 5360 x 0.4 = 2144（2）横切端面主切削力 Fz(N)可取纵切的 1/2:26801 z此时走刀抗力为 Fy(N)，吃刀抗力为 Fx(N)。仍按上述比例粗略计算 :Fz:Fy:Fx=1:0.25:0.4Fy=2680 x 0.25 = 670Fx=2680 x 0.4 = 1072专业文档尽在我主页4.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类