毕业设计（论文）-卧式镗床的数控改造设计.doc

毕毕业业设设计计卧式镗床的数控改造设计卧式镗床的数控改造设计学生姓名学生姓名：学号学号：系系部：部：专专业：业：指导教师：指导教师：二零一四年六月机械工程系机械设计制造及其自动化诚信声明诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。全套图纸加扣3012250582本人签名：年月日毕业设计任务书毕业设计任务书设计题目：卧式镗床的数控改造设计系部：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化学号：1设计的主要任务及目标1根据课题要求进行调查研究，了解掌握卧式镗床的结构特点；2拟定并论证方案；3设计、绘制机床横向、纵向进给系统的传动系统图；4选择并校核主轴驱动和进给驱动；5设计、改造机床机械结构；6绘制零件图及结构装配图2设计的基本要求和内容1毕业设计说明书一份；2进给系统结构图；3主要零件图；4机床控制PLC程序3主要参考文献1曾励.机电一体化系统设计.北京：高等教育出版社，2004.2汪木兰.数控原理与系统.北京：机械工业出版社，2004.3杨有君.数控技术与数控机床.北京：机械工业出版社，2002.4于骏一.机械制造技术技巧.北京：机械工业出版社，2004.5姜培刚.机电一体化系统设计.北京：机械工业出版社，2003.6罗良玲.数控技术及应用.北京：清华大学出版社，2005.7张新义.经济型数控机床系统设计.北京：机械工业出版社，1994.8罗永顺.机床数控化改造技术.北京：机械工业出版社，2007.4进度安排设计各阶段名称起止日期1调查研究，查阅资料，完成开题报告2013.12.312014.03.112拟定并论证总体方案2014.3.112014.04.143结构设计及计算2014.04.142014.04.254绘制零件图及结构装配图2014.04.252014.06.015整理论文，准备答辩2014.06.012014.06.10卧式镗床的数控改造设计卧式镗床的数控改造设计摘要摘要：根据课题要求进行调查研究，在全面了解T6112卧式镗床内外部结构、工作原理、控制方法的基础上，绘制机床横向、纵向进给系统的传动系统图，通过认真研究机床的传动系统图，分析卧式机床在结构方面存在的不足。为了适应市场对于大型卧式镗床这种设备加工工艺要求日益的精湛，对机床的机械结构进行数控化的改造，将卧式镗床改造成技术先进、自动化明显、外观造型完美、高效率、高质量的数控机床，使机床的操作性能得到全方位的提升和改善。关键词关键词：进给系统，机械结构，数控改造，操作性能CNCtransationofthehorizontalboringmachineAbstract：InvestigationandresearchaccordingtotherequirementsofprojectbasedonT6112horizontalboringmachineinternalstructureworkingprinciplecontrolonacomprehensiveunderstandingofthetransmissionsystemgraphdrawingmachinehorizontalverticalfeedsystemthetransmissionsystemgraphstudytoolanalyzingtheexistingproblemsinthestructureofthehorizontalmachinetool.InordertomeetthemarketrequirementsforlargehorizontalboringmachinetheequipmentprocessingtechnologyisexquisitethemechanicalstructureofthemachinetoolrebuildingofNChorizontalboringmachinewillbetransedintoCNCmachinetooltechnologyadvancedautomationhighefficiencyclearappearanceperfecthighqualitymaketheoperationperanceofthemachinetoolhasafullrangeofpromotionandimprovement.Keywords:CNCfeedsystemmechanicalstructurenumericalcontroltransationoperatingperance.I目目录录1.绪论.11.1课题研究的背景及意义.11.2国内外卧式镗床的结构特点及发展趋势.11.3研究设想.32.卧式镗床数控化改造注意事项.43.卧式镗床数控化改造总体设计.531卧式镗床总体概况.53.1.1卧式镗床的工作原理.53.1.2主要技术参数.63.1.3卧式镗床的运动.73.1.4主轴部件机构.83.2改造主体部分.93.3数控系统的改造，选型.93.4机床电机和丝杠的选择以及间隙的消除.113.5伺服系统的改造、选型.113.6电气系统的改造，PLC的选型.133.7毕业设计总体要求.133.8伺服进给系统的确定.144.卧式镗床垂直传动机械结构的改造.164.1垂直（即Y）方向机械结构的改造.164.2滚珠丝杆的选择计算.174.2.1滚珠丝杆的原理.174.2.2滚珠丝杆的特点.184.2.3滚珠丝杆副的工作负荷计算及丝杆型号的选择.184.3齿轮传动设计的有关计算.204.4步进电机型号的计算选择.23II4.5自锁机构的设计.244.6轴承型号的选择.255.卧式镗床横向传动机械结构的改造.265.1滚珠丝杆的选择计算.265.2滚珠丝杆的寿命计算.265.3最大动载荷计算.275.4传动效率计算.285.5刚度验算.285.6传动齿轮的选择及间隙调整.285.7轴承型号的选择.295.8伺服电机的选择及计算.295.9驱动装置的选择.316.利用PLC技术改造卧式镗床控制系统.326.1T6112卧式镗床控制要求.326.2T6112卧式镗床电气原理图.326.3T6112卧式镗床PLC程序设计.336.31IO分配表.336.32PLC外部接线图.346.33PLC程序梯形图.35总结.37参考文献.38致谢.39太原工业学院毕业设计111绪论绪论1.11.1课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义镗床类机床的主要工作是用镗刀进行镗孔，所以叫镗床。镗床主要分为卧式镗床、坐标镗床、金刚镗床等。因为卧式镗床除镗孔外，还可钻孔，扩孔，铰孔。尤其适合大型，复杂的箱体类零件的孔加工。一般情况下，零件可以在一次安装中完成大部分甚至全部的加工工序，所以卧式镗床特别适合于加工形状、位置要求严格的孔系和加工尺寸较大、形状复杂且具有孔系的箱体、机架床身等零件。因此，卧式镗床也是我国重点开发设计的主要机床产品之一。为了响应市场发展对机械产品效率，质量要求的不断提高，对卧式镗床进行数控改造是必要的。卧式镗床进行数控改造后具有原机床所不具备的一些特点：可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面；可以实现加工的自动化，效率可比传统机床提高37倍。因为计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按规定的程序去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件的自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化；拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工；可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品的试制周期和生产周期，可对市场需求做出快速反应；同购置新机床相比，将原有设备进行改造费用低，一般可以节省6080的费用。1.21.2国内外卧式镗床的结构特点及发展趋势国内外卧式镗床的结构特点及发展趋势卧式镗床的主要关键部件是主轴箱，安装在立柱侧面，也有少数厂家采用双立柱的热对称结构讲主轴箱置于立柱中间，这种结构最大特点是刚性、平衡性、散热性能好，为主轴箱高速运行提供了可靠保证。但是，双立柱结构不便于维护保养，是当今采用的厂家不多的原因。主轴箱移动多通过电机驱动滚珠丝杆进行传动，是主轴驱动核心传动装置，多采用静压轴承支承，由伺服电机驱动滚珠丝杆进行驱动。太原工业学院毕业设计2由于主轴转速轴转速越来越高，主轴升温快，现在，已有很多厂家将采用油雾冷却以替代油冷却，更有效地控制主轴升温，使其精度得到有效保证。主轴系统主要有两种结构型式，一种是传统的镗杆伸缩式结构，具有镗深孔及大功率切削的特点另一种是现代高速电主轴结构，具有转速高，运行速度快，高效、高精的优点。高速电主轴在卧式镗铣床上的应用越来越多，除了主轴速度和精度大幅提高外，还简化了主轴箱内部结构，缩短了制造周期，尤其是能进行高速切削，电主轴转速最高可大10000rmin以上。不足之处在于功率受到限制，其制造成本较高，尤其是不能进行深孔加工。而镗杆伸缩式结构其速度有限，精度虽不如电主轴结构，但可进行深孔加工，且功率大，可进行满负荷加工，效率高，是电主轴无法比拟的。因此，两种结构并存，工艺性能各异，却给用户提供了更多的选择。现在，又开发了一种可更换式主轴系统，具有一机两用的功效，用户根据不同的加工对象选择使用，即电主轴和镗杆可相互更换使用。这种结构兼顾了两种结构的不足，还大大降低了成本。是当今卧式镗铣床的一大创举。电主轴的优点在于高速切削和快速进给，大大提高了机床的精度和效率。卧式镗铣床运行速度越来越高，快速移动速度达到2530mmin，镗杆最高转速6000rmin。而卧式加工中心的速度更高，快速移动高达50mmin，加速度5ms2，位置精度0.0080.01mm，重复定位精度0.0040.005mm。近几年来，国内外卧式镗床的技术发展非常快其特点是产品结构不断更新，新技术应用层出不穷，工艺性能复合化，速度、效率不断提高，突出精细化制造。其主要发展现状和趋势归纳如下：(1)镗床数控技术得到迅速发展。(2)卧式镗床设计结构和工艺的发展。(3)向柔性化、无人化、超精密化的开拓性研究。国外数控镗床及卧式加工中心产品大多以普通卧镗为基型，发展成不同水平的产品。如在普通卧镗上配上不同水平的数控系统后成为不同的数控卧镗。在数控卧镗的基础上，再加上刀库和机械手，成为自动换刀型的产品。最终都将会演变成不同布局和不同精度水平的卧式加工中心产品。在国外已普及用CAD对机床的基础大件如床身、立柱、滑座等进行优化设计。这样不仅可以大量节约原材料，同时还可缩短设计周期，提高机床的动态特性。更为突出的是，在机床设计中普遍采用模块化设计方法，可较快地开发新品种，满足太原工业学院毕业设计3不同用户的需求。当新技术、新结构、新材料在机床上大量应用时，使机床技术水平有明显的提高，促使加工零件高精度化，高效化和高速化。1.31.3研究设想研究设想本文根据课题进行调查研究，仔细分析了卧式镗床的组成结构及传动原理，主要针对机床进给系统进行了全面细致的研究设计，改造机床的机械结构，使卧式镗床的应用更为广泛，功能更多，加工的零件精度更高。太原工业学院毕业设计422卧式镗床数控化改造注意事项卧式镗床数控化改造注意事项在改造机床前，要先做好充分的技术准备，做好技术规划，电气原理图及各种转换接口的设计等。原机床的全面保养。机床长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，全面保养后机床的精度、实时性等性能会有所提高。其次，应对机床作一次改造前的几何精度、尺寸精度的测量，并记录在案。这样既可起到改造工作参考作用，又可在改造结束时对比分析用。保留的电气部分进行最佳化调整。若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。如强电部分的零件更换、电动机的保养、变压器的烘干绝缘、污染的清洁、通风冷却装置的清洗、伺服驱动装置的最佳化调整、老化电线电缆的更新、连接件的紧固等。只有对保留的电气部分做好详细的最佳化调整工作，才能保证改造后的机床有较低的故障率。拆除原系统。原系统的拆除必须对照原图样仔细进行，及时在图样上作出标记，防止遗漏或过拆。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中缺欠之处，应及时补充与修正，拆下的系统及零件应分门别类，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用。合理安排新系统位置及布线。根据新系统设计图样，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、线路走向、固定和调整元件位置、密封及必要装饰等。连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、可靠美观。在准备工作做好后，就可以开展改造工作。太原工业学院毕业设计533卧式镗床数控化改造总体设计卧式镗床数控化改造总体设计3.13.1卧式镗床总体概况卧式镗床总体概况3.1.13.1.1卧式镗床的工作原理卧式镗床的工作原理镗床的定义：主要用镗刀对工件已有的预制孔进行镗削的机床。通常，镗刀旋转为主运动，镗刀或工件的移动为进给运动。它主要用于加工高精度孔或一次定位完成多个孔的精加工，此外还可以从事与孔精加工有关的其他加工面的加工。使用不同的刀具和附件还可进行钻削、铣削，且它的加工精度和表面质量要高于钻床。镗床是大型箱体零件加工的主要设备。镗床分为卧式铣镗床、落地镗铣床、金刚镗床和坐标镗床。卧式镗床是应用最多、性能最广的一种镗床，适用于单件小批生产和修理车间。卧式镗床主要由工作台，主轴箱，前立柱，后立柱，下滑座，上滑座和床身等部件组成。主轴箱可沿前立柱的导轨上下移动。在主轴箱中，装有主轴部件、主运动和进给运动变速机构以及操纵机构。根据加工情况不同，刀具可以装在镗杆上或平旋盘上。加工时，镗杆旋转完成主运动，并可沿轴向移动完成进给运动；平旋盘只能做旋转主运动。装在后立柱上的后支架用于支撑悬伸长度较大的镗杆的悬伸端，以增加刚性。后支架可沿后立柱上的导轨与主轴箱同步升降，以保持镗杆不同长度的需要。工件安装在工作台上，可与工作台一起随下滑座或上滑座作纵向或横向移动。工作台还可绕上滑座的圆导轨在水平平面内转位，以便加工互相成一定角度的平面或孔。当刀具装在平旋盘的径向刀架上时，径向刀架可带着刀具作径向进给，以车削端面。综上所述，卧式镗床具有下列工作运动：1.镗杆的旋转运动；2.平旋盘的旋转主运动；3.镗杆的轴向进给运动；4.主轴箱垂直进给运动；5.工作台纵向进给运动；6.工作台横向进给运动；7.平旋盘径向刀架进给运动；8.辅助运动：主轴箱，工作台，在进给方向上的快速调位运动；后立柱纵太原工业学院毕业设计6向调位运动，后支架垂直调位运动。3.1.23.1.2主要技术参数主要技术参数机床的主要技术参数包括主参数和基本参数。基本参数包括尺寸参数、运动参数、动力参数。主参数，或称主要规格，表示机床的加工范围。机床的尺寸参数是指机床的主要结构尺寸。T6112镗床的主要技术参数如下：主轴直径125mm主轴最大许用扭转力矩3432Nm:主轴承受最大轴向进给抗力29420N平旋盘最大许用扭转力矩4987Nm:主轴内锥孔公制80mm主轴最大行程1000mm平旋盘径向刀架最大行程300mm主轴中心线距工作台距离01400mm:主轴转速范围（24级）4800rmin:平旋盘转速范围（18级）2.5125rmin:主轴每转时进给量范围4200mmmin:平旋盘每转时进给量范围0.06310mmmin:工作台尺寸14001600mm工作台最大行程纵向1600mm横向1400mm工作台机动回转速度1rmin工作承受最大重量5000kg工作台快速移动速度2mmin机床外形尺寸722533503355mm主电机：功率13kW太原工业学院毕业设计7转速970rmin快速移动电机：功率4kW转速960rmin后立柱快速电机功率1.1kW转速960rmin油泵电机:功率0.8kW转速1380rmin光学测量读数精度0.01mm3.1.33.1.3卧式镗床的运动卧式镗床的运动卧式镗床的外形由下滑座、上滑座、和工作台组成的工作台部件装在床身导轨上。上滑座可沿下滑座的导轨作横向移动，下滑座又可沿床身导轨作纵向移动，从而组成水平面内XZ两个坐标方向的进给和定位移动系统。工作台还可在上滑座的环形导轨上绕垂直轴线转位，使工件能在水平面内调整至一定角度，以便在一次安装中对相互平行或成一定角度的孔或平面进行加工。主轴轴线为水平方向布置，主轴箱可沿前立柱上的导轨在垂直方向上下移动，以实现垂直进给运动或使主轴轴线处在X坐标方向上的不同位置。为了保证孔与孔以及孔与基准面的距离精度，机床上具有坐标测量装置，以实现主轴箱和工作台的准确定位。主轴箱内装有主运动和进给运动的变速传动机构及操纵机构等。根据加工情况不同，刀具可以装在镗轴前端的锥孔中，或装在平旋盘的径向刀具溜板上。加工时，镗轴旋转完成主运动，并可沿其轴线移动作轴向进给运动；平旋盘只能作旋转主运动，装在平旋盘导轨上的径向刀具溜板，除了随平旋盘一起旋转外，还可沿导轨移动作径向进给运动。装在后立柱垂直导轨上可上下移动的后支架，用以支承长刀杆（镗杆）的悬伸端，以增加其刚性。后立柱可沿床身导轨调整纵向位置，以适应支承不同长度的刀杆。太原工业学院毕业设计83.1.43.1.4主轴部件机构主轴部件机构卧式镗床主轴部件的结构形式较多。T6112卧式镗床为三层主轴带固定式平旋盘的主轴部件，它由层层套装的镗轴、空心主轴和平旋盘主轴组成。镗轴和平旋盘主轴用来安装刀具并带动其旋转，两者可单独转动。空心主轴用作镗轴的支撑和导向，并传动其旋转。平旋盘主轴由装在主轴箱体左壁和中间壁孔内的两个精密圆锥滚子轴承支承，轴承间隙可用螺母调整。空心主轴同样用两个圆锥滚子轴承支承，其前轴承装在平旋盘主轴前端的孔中，后轴承装在主轴箱体右壁的孔中，轴承间隙用螺母调整。在空心主轴的内孔中，装有三个淬硬的精密衬套，用以支承镗轴。镗轴用38crMoAlA钢经氮化处理制成。具有很高的表面硬度（10001200HV），它和衬套的配合间隙很小（约0.01mm左右），而前后衬套间的距离较大，因而可长期地保持较高的导向精度，并使主轴部件有较高的刚度。镗轴的前端有精密的莫氏锥孔，供安装刀具和刀杆用。它由齿轮经空心主轴和两个导键传动旋转。导键固定在空心主轴上，其突出部分嵌在镗轴的两条长键槽内，使镗轴既能由空心主轴带动旋转，又可在衬套中沿轴向移动。镗轴的后端通过推力球轴承和圆锥滚子轴承与支承座连接。支承座装在后尾筒的水平导轨上，可由丝杠经螺母传动移动，带动镗轴作轴向进给运动。镗轴不做进给时，利用支承座中的推力球轴承和圆锥滚子轴承使镗轴实现轴向定位。其中圆锥滚子轴承还可以作为镗轴的附加径向支承，以免镗轴后部的悬伸端下垂。平旋盘主轴的前端，用螺钉和定位销固定地安装着平旋盘，它由齿轮传动旋转。平旋盘的端面上铣有四条径向T型槽，供紧固刀架或刀盘之用；在它的燕尾导轨上，装有径向刀具溜板。刀具溜板的左侧面上铣有两条供紧固刀架用T型槽，有侧面的矩形槽中固定着齿条，由与其啮合的齿轮传动，使刀具溜板作径向进给运动。燕尾导轨的间隙可用镶条进行调整。当加工过程中刀具溜板不需作径向进给时，可拧紧螺塞，通过小丁将其锁紧在平旋盘上。平旋盘上装有刀具溜板的进给机构。运动由齿轮2传入，然后经齿轮18、蜗杆、蜗轮、齿轮25、和齿条传动刀具溜板移动。上述这些齿轮、蜗杆、蜗轮等，在工作过程中一面随平旋盘一起绕它的轴线旋转-公转运动；一面绕其自身的轴线旋转-自转运动。齿轮2空套在平旋盘的轮毂上，由伸出在主轴箱体外面的齿轮17传动太原工业学院毕业设计9旋转。当齿轮2的转速、转向与平旋盘相同时，由于齿轮18与2之间无相对运动，齿轮18、蜗杆19和蜗轮26等不能产生自传运动，因而刀具溜板不作进给运动。当齿轮2的转速与平旋盘不相等时，则齿轮18将沿着齿轮2滚动，产生自传运动。于是蜗杆19、蜗轮26、和齿轮25等也都被带动作自传运动，从而传动刀具溜板进给。3.23.2改造主体部分改造主体部分图3.1卧式镗床简图如图3.1所示，改造主要对卧式镗床主轴箱的升降（即Y轴方向）和工作台的前后移动（即X轴方向）实现数控改造。在这两个方向上，机械结构都是由步进电机带动一级齿轮，通过滚珠丝杆，带动工作台或主轴箱。通过数控装置对步进电机的控制，实现两个方向的联动，从而实现了机床数控化的要求。3.33.3数控系统的改造，选型数控系统的改造，选型T6112卧式镗床的主轴以及进给系统都是由法兰式电动机拖动。主轴传动系统部分改造难度大、成本高，且精度提高有限，所以在改造此类机床时，由于主轴各方太原工业学院毕业设计10面性能能满足使用要求的，所以保留原主轴系统，对进给传动系统及电气控制系统进行改造。根据数控机床的工作原理，数控机床主要由控制介质，数控装置伺服系统，机床本体和测量装置等五部分组成。其组成框图如图3.2所示:图3.2数控机床组成框图在T6112型卧式镗床进行经济型数控镗床的改造中，其控制介质用CNC系统自带的存储器作载体。而数控装置通过以下几个公司选择:通过美国MDSI公司的OpenCNC系统德国PowerAutomation公司的PA8000NTCNC系统，日本FANUCCNC系统，德国SIEMENSCNC及JWK15TCNC系统，JBK30MCNC系统的比较，国外CNC系统其结构复杂，功能强大，单价格昂贵，不适合安装在经济型数控机床上，那样代价太大，成本不合算，故亦不选用。而在JWK15TCNC系统和JBK30MCNC系统中我决定选用JBK30MCNC系统，JBK30MCNC系统装置是三坐标数控系统。它用三路驱动电路分别控制X向，Y向，和Z向的步进电动机，进行机床位置的移动，并能实现任意的二坐标联动和三坐标联动。它使用ISO国际标准代码进行编程，该装置除了能执行本身的各种编程指令外，还能执行两坐标机床数控系统的各种编程指令，而且三坐标系统的各种操作方法如输入，修改，删除及运行加工程序，也与二坐标系统相同。其功能有：1、刀具半径补偿功能在编程时，将刀具简化为刀位点，用零件本身轮廓进行编程，但要将实际刀具的参数（如刀具位置、长度、和圆弧切削刃半径等）测量出来并输入给CNC装置，输入的参数统称为刀具补偿值，简称刀补值；在程序中适当的位置调用刀具补偿指令，CNC装置就会根据程序指定的刀补值，自动调整刀位点的运动轨迹，使刀位点的运动轨迹相对编程轨迹产生偏移，这个偏移恰好能加工出要求的零件轮廓。2、对机械原点功能3、三轴任意两轴联动及三联动和第四轴显示切换功能。控制介质数控装置控制介质机床测量装置太原工业学院毕业设计113.43.4机床电机和丝杠的选择以及间隙的消除机床电机和丝杠的选择以及间隙的消除进给传动系统的传动精度及效率也是数控机床性能的重要组成部分。原机床进给箱为交换齿轮，结构复杂、反向间隙大、传动精度差。在改造过程中，采用步进电动机与滚珠丝杠，并装有减速机构的传动方式，通过减速机构可得到所需的减速比并增大驱动力矩。原机床时用滑动丝杠，传动误差大，因此在数控化改造中将其更换为滚珠丝杠。滚珠丝杠副是一种具有螺旋槽的丝杠与其螺母间装有滚珠作为中间元件的丝杠副，其特点是:传动效率高，摩擦损失小且无轴向间隙，运动平稳，无爬行现象，因此，轻便灵活，传动精度高。为了提高进给传动系统的灵敏度即快速响应特性，必须有效地减少运动件的摩擦阻力，为此采用滚珠丝杠代替滑动丝杠，前者具有传动效率高、运动平稳、精度保持性好、寿命长、可通过预紧消除轴向间隙并提高系统刚度等特点。滚珠丝杠的摩擦系数仅为0.00260.0052。:3.53.5伺服系统的改造、选型伺服系统的改造、选型T6112卧式镗床的原调速方法是靠交换齿轮调速、人工手动，不能实现伺服调速。改造后需实现数控无级调速，必须使用与数控系统配对的伺服驱动系统。根据进给脉冲指令输入驱动装置，经驱动电路控制和功率放大后，驱动执行电动机转动。因此，在改造过程中要根据所选的电动机参数来选择合适的伺服系统。在驱动执行装置中，直流伺服电动机的价格昂贵，在普通机床的数控化改造中一般采用步进电动机和交流伺服电动机。步进电动机采用脉冲数字信号进行控制，每转一转步距误差自动变为零，能方便地实现调速及定位，改变各相绕组的接通次序即可实现正反转。在卧式镗床数控化改造中，采用功率步进电动机，电液脉冲马达。经济型数控镗床的伺服进给系统采用的是开环控制系统，即由直流步进电机和滚珠丝杠两部分组成。直流步进电机是一种能接受电脉冲而一步步转动的电动机，每接收一个电脉冲转动1.5度或3度因此，步进电机转角的大小，取决于电脉冲的数量转速的快慢取决于电脉冲的频率。由于步进电机的功率和扭矩较小，故采用功太原工业学院毕业设计12率放大器来驱动。用于数控机床的控制系统很多，其结构形式、工作方式、实现的功能，所达到的精度、价格等各不相同。经济型数控系统通常采用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达士0.0l0.02mm，已能满足T6112镗床改造后加工零件的精度要求该开环伺服驱动系:统具有调速范围宽、动态响应快、输出精度高、控制线路简单等特点。在动力源的选择中主电机不变，只改变辅助电机。步进电机。横向:110BF3，最大静态转矩为8Nm纵向:160BF5，最大静态转矩为15Nm:步进电机是开环伺服驱动系统的核心，它跟踪指令脉冲，产生功率输出，并使输出量(角位移)能够准确、迅速地复现输人量(指令脉冲)的变化。在使用中，要求步进电机能严格跟随指令脉冲，不发生失步、振荡，能快速起动、停止正反转，具有足够的动态转矩，也就是要求步进电机具有良好的运行特性。其运行特性与电机本身特性(如通电方式、步距角、矩频特性)有关，也与配套使用的驱动电路有关。试验证明，不同的驱动电路在发挥步进电机性能上的差别较大，其中斩波电路输出的转矩在低频段为0.85Ma0.90Ma(Ma为步进电机的最大静转矩)，高于其它电:路。或者说对应于某一快速运动阻力矩M斩波电路的运行频率比其它电路高出许多。因此，步进电机所能达到的速度高，调速范围宽。斩波电路的起动频率也明显地高于其它电路。起动频率高，动态响应快，有利干步进电机以较快速度直接起动，缩短加速时间。在伺服驱动系统中，步进电机除了是指令脉冲的伺服跟踪元件外，同时，还是进给传动系统的驱动力源，所以，它的运行特性还与负载有密切关系。步进电机承受负载的能力是一定的，由电机本身的性能参数最大静转矩及相应的驱动电路确定，而负载的大小则与切削力、传动机构摩擦力等有关，当负载大于电机的承载能力时，伺服进给系统就不能正常工作。因此，我们可以通过普通车床重切削时的负荷计算，来校验所选用伺服驱动系统的容量是否满足T6112镗床数控改造后驱动进给力的需要。经估算结果表明，进给驱动转矩大于负载转矩40%以上，故本系统采用的元件匹配是能满足T6112型普通卧式镗床的数控改造的。差动机构接不通，刀架无进给，而平旋盘转速n平必和齿轮Z150的转速n150相等。证明如下：由周转轮系传动比公式知：太原工业学院毕业设计13=。HHnnnn41MZZZZZZ)(1724241818281728)1(1724241818283因差动机构不接通，01n17284HHnnnHnn28454又，所以。而24112平nnHHnn143平，HHnnnn143150202845150204150由此可知时，径向刀架无进给。150nn平机床主轴进给和径向刀架进给由手轮机构来操纵，可分别实现机动进给，手动进给和微量手动进给。机动进给向前推动手把（离开操作者），这时轴上的齿轮Z18和轴上的齿轮Z24脱开啮合位置。同时，由挡块按动行程开关控制电磁阀，使油缸动作接通牙嵌式离合器，实现机动进给。若轴X上齿轮Z47与轴X上齿轮Z47啮合，经丝缸便可带动主轴作轴向进给；若两Z47齿轮脱开时，使Z23与轴X齿轮Z17相啮合，经差动机构可使平旋盘上的径向刀架获得径向进给。因为Z47和Z32齿轮由一个液压缸操纵，所以主轴和径向刀架的进给运动是互锁的。手动进给手把处于中间位置，Z18和Z24两齿轮啮合，牙嵌式离合器脱开，此时转动手把，便可使传动轴X实现手动进给。当转阀转至“主轴”位置时，主轴获得手动进给；而转阀转在“平旋盘”位置时，径向刀架实现手动进给。微量手动进给向外拉动手把（近操作者）时，Z18齿轮和轴上Z70齿轮相啮合，实现较大的降速比，转动手把经齿轮便可转动轴X，再加上转阀的配合控制，使主轴和径向刀架分别得到微量手动进给。3.63.6电气系统的改造，电气系统的改造，PLCPLC的选型的选型机床测量装置采用T6112型卧式镗床的直线光栅和脉冲编码器，其电气触电上的接触器，继电器，三极自动开关，按钮，行程开关全由PLC代替。PLC选用三菱FX2N为标准型，内藏式存储器为RAM，IO点数为80，其中输入40，输出40，工作电压100-240V，AC。型号为FX2N-80MR-D。太原工业学院毕业设计143.73.7机床改造总体要求机床改造总体要求1）选用的数控系统具有编辑、空运行、回零、手动、自动、MDI方式及G功能、M功能、S功能、刀具半径补偿等功能、平面设定和尖角过度等功能；2）机床工作台纵向、横向脉冲当量均为0.0025mm；3）设计、绘制机床横向、纵向进给系统的传动系统图；4）设计、改造机床机械结构；3.83.8伺服进给系统的确定伺服进给系统的确定伺服驱动控制系统按其控制方式可分为开环、半闭环、全闭环控制伺服系统。开环控制伺服系统没有检测反馈装置，其驱动电动机只能采用步进电动机，这种控制系统的精度完全取决于步进电动机的步距精度以及齿轮、丝杠的传动精度。因此，这类系统结构简单，控制方便，价格便宜，维护也比较方便。如图3.3所示图3.3开环伺服系统示意图半闭环控制伺服系统转角检测元件。直接安装在伺服电机或丝杠的端部。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此，可获得较稳定的控制特性。如图3.4所示图3.4半闭环伺服系统示意图太原工业学院毕业设计15全闭环控制伺服系统的位置反馈采用直线位移检测元件，安装在机床的床鞍部位上，即直接检测机床坐标的直线位移量，通过反馈可以消除从电机到机床床鞍整个机械传动链中的传动误差，得到很高的机床定位精度。但是，整个闭环系统的设计和调整都相当复杂。因此，这种全闭环控制方式主要用于精度要求很高的机床。如图3.5所示图3.5全闭环控制系统由于我们所做的是经济型数控改造，精度要求不高。所以，采用开环控制伺服系统。该系统投资少，安装调试方便。太原工业学院毕业设计164卧式镗床垂直方向机械结构的改造卧式镗床垂直方向机械结构的改造4.14.1垂直（即垂直（即YY）方向机械结构的改造）方向机械结构的改造对垂直进给系统的机械结构进行改造时，将原机床丝杠拆掉换成滚珠丝杠；把原机床的旧电动机更换成步进电动机；更换丝杠和齿轮轴承。步进电动机安装在原预留进给电动机位置，采用直齿轮一级传动，带动滚珠丝杆。除此之外，垂向承受着主轴箱的自重，由于滚珠丝杆没有自锁能力，垂直坐标不能锁住，工作台会自动下降，采用超越离合器的自动平衡装置以保证垂直轴的自锁能力。在垂直轴上加装消隙装置可以提高轴的传动精度，机床的结构精度是保证能加工精度的基础。其改造后的传动方式：伺服步进电动机接一对直齿轮齿轮再接滚珠丝杠，由滚珠丝杆带动主轴箱升、降运动，机械结构简图如图4.1所示太原工业学院毕业设计17图4.1垂直方向结构简图4.24.2滚珠丝杆的选择计算滚珠丝杆的选择计算4.2.14.2.1滚珠丝杆的原理滚珠丝杆的原理滚珠丝杆螺母副（简称滚珠丝杆副）是回转运动与直线运动相互转换的理想传动装置，它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠（作为中间传动元件），以减少摩擦。如图4.2所示为滚珠丝杠副的结构，其工作原理是：在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当把它们套装在一起时可形成螺旋滚道，并且滚道内填满滚珠，当丝杠相对于螺母做旋转运动吋，两者间发生轴向位移.而滚珠则可沿着滚道滚动.减少摩擦阻力.滚珠在丝杠上滚过数圈后，通过回程引导装置（回珠器）.逐个滚回到丝杠和螺母之间构成一个闭合的回路管道。太原工业学院毕业设计18图4.2滚珠丝杆螺母副结构图4.2.24.2.2滚珠丝杆的特点滚珠丝杆的特点在传动时，滚珠与丝杠、螺母之间基本上是滚动摩擦.因此它具有以下优点：(1)传动效率高：滚珠丝杠副的传动效率很高，可达92%98%，是普通丝杠传动的24倍；(2)定位精度和重复定位精度高：滚珠丝杠副的驱动力矩减少至滑动丝杠的13左右，发热率大幅降低，温升减小并且在安装滚珠丝杠副时采取以预紧方式消除轴向间隙等措施.使滚珠丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度；(3)使用寿命长：滚珠丝杠副采用优质合金钢制成，其滚道表面经淬火热处理后硬度高达6080HRC，因此其实际寿命远高于滑动丝杠，从而弥补其制造成本高于滑动丝杠的不足点；(4)刚度高：滚珠丝杠副经预紧后可以消除轴向间隙，提高系统的刚度；(5)传动的可逆性：滚珠丝杠副消除了在传动过程中可能出现的爬行现象，能够实现将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递动力这两种传动方式。因为滚珠太原工业学院毕业设计19丝杠副具有上述优点，所以在各类中、小型数控机床的直线进给系统中普遍采用滚珠丝杠，但是由于滚珠丝杠副的摩擦因数小、不能自锁，所以当作用于垂直位置时.为防止因突然停电而造成主轴箱自动下滑，必须加有制动装置。4.2.34.2.3滚珠丝杆副的工作负荷计算及丝杆型号的选择滚珠丝杆副的工作负荷计算及丝杆型号的选择初始估计丝杆的基本导程为L=8mm0现在根据最大当量动载荷计算公式：C=（式m3XwaLFff4.1）式中：运转系数，取=1.2wfwf精度系数，取=0.9afaf丝杆所受轴向载荷（N）=1903NFFL寿命值，可根据公式L=（式66010nT4.2）为丝杆平均速度（rmin）nn=01000SVL=.3rmin10002.50.51568式中：最大切削力的进给速度，可取最高进给速度=2.5（mmmin）的SVmaxV12则：L=66010nTT-使用寿命时间，据查经济型数控机床设计手册取T=15000小时L=140.625660156.31500010从而，C=m3XwaLFff太原工业学院毕业设计20=3140.62519031.2131940.9N根据机床设计手册得，故可选丝杆型号为：（内循环浮动返向器）5008FFZD的基本尺寸为：5008FFZD公称直径：螺距：050dmm08Lmm刚球直径：螺纹升角：5qdmm339丝杆外径：=48.5490(0.20.3)qddd:螺纹底径：130dmm其动载荷故选择符合要求，丝杆可用。2500013194amCNCN传动效率的计算根据机械设计原理滚珠丝杆的传动效率的计算公式为：（式tantan()4.3）式中：丝杆的螺旋升角，由以上参数表知，=339摩擦角，滚珠丝杆副的摩擦角10则可得：tan33997%tan(23910)刚度验算滚珠丝杆受工作负荷引起的导程的变化量：F（式01FLLEF4.4）其中：弹性模量对于钢为：E=216210cmN110.20.8滚珠丝杆横截面积：F(cm)2而：F=（式24d294cm4.5）太原工业学院毕业设计21则：=10.2cm01FLLEF619030.821107.1610滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化量很小，可以忽略，故=2LL1L故导程的变形误差为：=12.8L110.20.8mm查表得E级精度丝杆所允许的螺纹无偿误差（1m长）为15，故刚度足够。mm4.34.3齿轮传动设计的有关计算齿轮传动设计的有关计算由于初选的步进电机（110BF004）系统脉冲当量为0.01pmms步距角为：，丝杆导程为：0.75b08Lmm如果不采取齿轮传动，那么每个脉冲对应的丝杆螺母传动的距离为：=0.0167mm脉冲当量0.01mm80.75360L所以需要有减速机构，也就是要设计齿轮减速采用减速齿轮具有如下特点：1.便于配置出所要求的脉冲当量2.减小工作台以及丝杆折算到电动机轴上的惯量3.放大电动机输出转矩，即增大工作台的推力但采用减速齿轮会带来额外的传动误差，使机床的快速移动速度降低，并且其自身又引入附加的转动惯量，这些应该引起注意。齿轮材料的选用及许用应力：由于闭式齿轮主要失效形式是齿面点蚀、轮齿折断和齿面胶合，因此按照齿面接触疲劳强度来设计计算，最后校核齿根弯曲疲劳强度。初选7级精度。查机械设计基础，取小齿轮材料为45钢；则齿轮硬度为220HBS，大齿轮材料也采用45钢，其