（机械工程专业论文）Jlt1gtBNC320C750型数控车床数控化改造设计.pdf

摘要 在我国目前拥有大量技术陈旧的机床急需更新的情况下，由于数控机床的 加工能力和资源受限，对机床进行数控化改造是一条节约资金和快速上马的有 效途径。 j 。b n c 3 2 0 c 7 5 0 型单板微机数控卧式车床是济南第一机床厂于1 9 9 1 年3 月 出厂的，它有x ，z 两个坐标轴，实行开环控制。该机床数控系统功能较低， 在加工操作、工艺范围和显示功能方面存在很多不足，因此北京市机械工业学 校决定对其进行改造。 本课题对j ，b n c 3 2 0 c 7 5 0 数控车床进行数控化改造，先对机床改造进行了 可行性分析，确定了改造方案，完成了机床关键部件参数的计算，对纵、横向 滚珠丝杠进行了校核和计算，对原机床的电气部件进行了改造，选择了更先 进的c a s n u c 0 0 1 t 数控系统替代现有数控机床的控制装置，该数控系统采用的 是i b mp c a t 总线，主板的c p u 为8 0 3 8 6 8 0 4 8 6 ，负责键盘的c p u 为8 0 3 9 。键 盘与主板连接是用j l ( d b - 9 型) r s - 2 3 2 c 总线，r s - 2 3 2 c 总线是标准的串行通信 接口。该系统是由航天数控集团生产的，用国产数控系统，有利于促进民族数 控产业的发展，同时也可降低改造成本。 对改造后的机床进行了数控系统的技术测试、进给性能测试和机床精度检 验，数控系统技术测试是功能测试，机床精度检验项目是主轴和导轨。最后试 加工表明机床的加工范围得以扩大，被加工零件的精度全部符合标准。说明 j 。b n c 3 2 0 c 7 5 0 数控车床的数控化改造达到了预期的功能和精度，在可靠性和 操作宜人性等方面远远优于原机床。 关键词j i b r c 3 2 0 c 7 5 0 型数控卧式车床：机床数控化改造；数控系统 a b s t r a c t i nt h ec a s eo ft h ef a c t t h a tt h e r ea r eag r e a to f q u a n t i t yo f o b s o l e t eo l dl a t h e s n e e d i n gr e n e w i n gi nc h i n aa tt h em o m e n t t h e i r p r o c e s s i n gc a p a b i l i t ya n dr e s o u r c e so ft h ed i g i t a lc o n t r o ll a t h ea r e l i m i t t h e r e f o r ec a r r y i n go nt h ed i g i t a lc o n t r o lr e c o n s t r u c t i o ni sv a l i d a n d n e c e s s a r yf o r t h eb e n e f i to ff a s tt u r n o v e r o ft h e c a p i t a l a n d e f f e c t i v ei n t r o d u c t i o n j l b n c 3 2 0 c 7 5 0 sv e n e e rm i c r o c o m p u t e rd i g i t a lc o n t r o ih o r i z o n t a l l a t h ew a sp r o d u c e di nm a r c h1 9 9 1 b yn o 1m a c h i n et o o lm i l li nj i n a n s h a n d o n gp r o v i n c e i th a st w oc o o r d i n a t e so fxa n dzw i t ho p e nl o o p c o n t r 0 1 t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo ft h el a t h ed i dn o tf u n c t i o nw e l l i t sd e f i c i e n c yl i e si np r o c e s s i n gm a n i p u l a t i o n ，t e c h n o l o g yl i m i ta n d f u n c t i o nd i s p l a y h e n c ew ed e c i d e dt or e c o n s t r u c ta n dr e n e wi t t h i sp a p e rp r o v i d e sad e t a i l e dr e c o n s t r u c t i o ns c h e m ef o r j i b n c 3 2 0 c 7 5 0 sd i g i t a lc o n t r o lr e c o n s t r u c t i o na n dm a k e saf e a s i b l e a n a l y s i st ot h el a t h er e c o n s t r u c t i o n m o r e o v e rt h ew r i t e rc o m p l e t e st h e c a l c u l a t i o no fp a r a m e t e r sf o rl a t h e sk e yc o m p o n e n t sa n dc h e c k so ft h e l o n g i t u d i n a l a n dh o r i z o n t a lb a l l l e a d i n gs c r e w c h o o s i n gm o r e w e l i - d e v e l o p e dt h ec a s n u c 一0 0 1 t sd i g i t a lc o n t r o ls y s t e ms u b s t i t u t e s c o n t r o la p p a r a t u si np r e s e n tn u m e r i c a lm a c h i n et 0 0 1 t h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e ma d o p t si b mp c a t sb u su n i t t h em o t h e r b o a r dc p ui s8 0 3 8 6a n dt h e c p ui nc h a r g eo ft h ek e y b o a r di sa c t e db y8 0 3 9 i ti si nt h ew a yo fj 1 ( d b 一9 sm o u l d ) r s 一2 3 2 c sb u st h a tt h ek e y b o a r dj o i n sa g a i n s tt h e m o t h e r b o a r d r s - 2 3 2 c sb u si st h es t a n d a r ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e t h es y s t e mi sp r o d u c e db yt h ea e r o s p a c ed i g i t a lc o n t r o lg r o u p u s i n gn a t i o n a ld i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n t o fn a t i o n a ld i g i t a lc o n t r o li n d u s t r ya n dd e c r e a s e st h ec o s to f r e c o n s t r u c t i o na sw e l l t h er e c o n s t r u c t e dl a t h ei sc a r r i e do u tt h r e ek i n d so ft e s t i n g c o n t a i n i n gt e c h n 0 1 0 9 i c a lt e s to fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，p e r f o r m a n c e t e s to fm a t e r i a li n p u ta n dl a t h ea c c u r a c yt e s t t h et e c h n o l o g i c a lt e s t o fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mm a i n l yf o c u so nt h ef u n c t i o n a lt e s tw h i l et h e l a t h ea c c u r a c yt e s ti t e mi sp u to ns p i n d l ea n dg u i d et r a c k i nt h ee n d t h et r i a lp r o c e s s i n gp r o v e dt h a tt h ep r o c e s s i n gr a n g eo ft h el a t h ew a s e n l a r g e d ，a l lt h ec o m p o n e n tp a r t sp r o c e s s i n ga c c u r a c yc o i n c i d e dw i t ht h e r e q u i r e ds t a n d a r d a 1 1o ft h e s es h o wt h a tt h ed i g i t a lc o n t r o l r e c o n s t r u c t i o no fj b n 3 2 0 c 7 5 0d i g i t a ll a t h eh a sr e a c h e dt h ee x p e c t e d f u n c t i o na n da c c u r a c y ，s u p e r i o rt ot h eo r i g i n a ll a t h ei nl i a b i l i t ya n d o p e r a t i o n a ls u i t a b i l i t ya n ds o 0 1 t k e y w o r d s ：j 1 b n c 3 2 0 c 7 5 0 s m o u l d d i g i t a l c o n t r o lh o r i z o n t a ll a t h e ： m a c h i n et o o ld i g i t a lc o n t r o lr e c o n s t r u c t i o n ；n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作1 广明确的说明并表示了谢意。 签名名已矽日期触瞄奠 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阗；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：客氆新签名：钰垂盔l 一日期：监立l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 文献综述 1 1 1 国内数控机床的状况 我国从1 9 5 8 年开始数控机床的研制，其主要工作是剖析国外数控机床。 7 0 年代中期，由于电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使国产数控机床 的稳定性、可靠性问题未从根本上得到解决。另外，售价也较贵，未能广泛推 广。 我国数控机床从8 0 年代重新开始起步发展，到1 9 9 3 年产量已增长1 8 2 8 倍，产值数控化率从1 以下增长到1 2 。 2 0 0 1 年，中国机械工业走过了不平凡的一年，在景气的工业发展中，机械 工业呈现出较快增长、较高质量、较好效益的突出格局，成为中国工业发展中 的亮点。2 0 0 2 年总的经济环境对机械工业持续快速发展，既有较好条件，也将 面临一些附加值的高技术产品增长加快。只要我们紧紧抓住结构调整的这条主 线，以加入w t 0 为契机，推进各项改革，机械工业一定会继续保持较快的增长。 2 0 0 1 年，机械工业在中央的正确方针指引下，结构调整取得进展，运行效益进 一步改善，国内销售大幅度增长，对外经济继续发展，综合实力进一步加强。 在全国工业发展中，产销和效益均居前列，实现了“十五”计划的良好开局。 2 0 0 1 年，全国规模以上机械工业总产值1 4 6 7 5 4 3 亿元，比上年增长 1 7 1 5 。2 4 种主要机械产品产量中，有2 0 种增长超过上年。其中，数控机床 和高精度机床分别比整个机床产量增速高2 1 7 个百分点和1 4 3 个百分点。 1 1 2 国内机床数控化改造的状况 数控机床生产逐渐形成批量，开始出现了一批以北京机床研究所为龙头的 机床厂，主要生产镗铣加工中心，其c m e l 0 0 0 数控系统是“九五”期间最新开 发出来的具有很高性能价格比的普及型数控系统。该数控系统是一个系列化产 品，有三种基本类型：c b l e l 0 0 0 t 车床用数控系统、c m e l 0 0 0 m 铣床和小型加工 中心用数控系统和c m e l 0 0 0 g 磨床用数控系统。根据用户特殊用途机械设备加 工的需要，可以为用户定制特定的软件，从而派生出特定用途的经济型数控系 统。该系统已经广泛用于主机厂的机床配套、旧机床改造项目和步进系统的更 北京工业大学工程硕士学位论文 新换代，取得较好的经济效益和社会效益。 后来又有许多经济型数控系统的生产厂家，如：北京斯达特机电科技发展 有限公司，宁夏康迪特自控技术公司，广州数控设备厂，航天数控集团等。数 控机床一方面向大型、多功能方向发展；一方面向经济型方向发展。 数控机床的逐渐普及，数控系统的价格不断降低，使得旧机床进行数控化 改造的优点更明显，促使越来越多的机械加工厂选择旧机床数控化改造作为设 备更新的途径。 我国从8 0 年代初期开始进行机床数控化改造技术的研究和推广，到现在仅 有l o 多年的历史。目前，机床改造大都局# 艮在中、小型车、铣床的数控化改 造上，只有少数专门承担旧机床数控改造任务的翻新公司或改造公司，如沈阳 创新数控公司。 1 1 3 机床数控化改造的优点 采用先进工艺、先进技术对旧机床进行改造有以下优点： 1 ) 机床改造针对性强，容易适应生产的要求。因为机床的改造方案是根据原 机床中存在的问题提出的，需要改哪些地方，改到什么程度都有的放矢，能与 生产紧密结合，可以直接将科学技术转化为生产力，使企业有积极性。 2 ) 技术改造可以充分利用原有机床的绝大部分，大大节约原材料和资金。 3 1 机床数控化改造周期短、见效快，可满足生产急需。 4 ) 可以充分发挥企业现有技术力量的作用，调动技术人员的积极性。 5 1 数控改造费用低，经济性好。 1 2 机床数控化改造的必要性和可能性 1 2 1 必要性 数控机床在现代机械加工中起着举足轻重的作用，机床的数控化率已成为 衡量一个国家机床工业水平的重要标志。提高机床的数控化率有两个途径：一 是购买新的数控机床，即更新；二是改造旧机床，配置数控系统，把旧机床改 造成数控机床。 所谓机床的数控化改造是指应用现代的数控成熟技术和经验，以适应生产 的具体要求为目的，改变现有机床的结构，给旧机床换上新部件、新装置、新 - - 2 - - 第1 章绪论 附件，提高现有机床的技术性能指标，使之全部或局部达到新数控机床的水平。 1 2 2 可能性 数控机床的改造大体上分为两类：一类是在现有的普通机床上加数控装置 或可编程控制器；另一类是采用更先进的数控系统替代现有数控机床的控制装 置。本机床改造属于后者。 对普通机床和旧机床进行数控化改造是可行的。首先是技术上的保证：近 几年来，微电子技术的发展、电子计算机的应用、传感技术、粘接技术等新工 艺、新技术的出现都为机床数控化改造提供了坚实的基础，应用这些先进技术 投资少、见效快。科技人员的知识层次、实践经验也为机床的数控化改造提供 了充足的后备力量；二是在经济方面，机床数控化改造针对性强、投资少、资 金利用率高，许多基础部件仍可利用，可咀缩短改造周期并降低生产成本。另 外，筹集资金相对容易一些。购买一台新的数控机床一般需数十至数百万元， 而改造一台只需几万至十几万元即可，资金回收快。 1 3 课题研究的目的和背景 我国现有机床3 2 0 多万台，这些机床技术状况老化严重，据统计，全国3 0 左右设备在1 6 年以上，其中近3 0 的役龄超过了2 6 年，其中近3 0 的役龄超过 了2 6 年3 ，这些都说明目前我国还没有走上主要依靠科技进步对机床进行改造 的轨道。另外，随着科技的进步，生产依赖于设备的程度日益增大，企业的产量、 质量、效率、成本、安全及环境保护和劳动情绪都受设备的制约，实现企业的 现代化己势在必行。 但据资料介绍，我国的金属切削机床年产量仅占同类设备拥有量的1 2 8 ， 如将每年生产的全部机床用来更换旧机床需要2 8 年“，所以，我国目前解决设 备技术进步的主要途径是机床改造。 随着电子技术的高速发展，许多专门为工业环境下设计的电子元器件大量 涌现，它们的性能价格比越来越高。在改造中自己制造的单片机扩展系统存在 许多弊端，如系统不稳定等，因此逐渐被性能价格比高的批量生产的数控系统 所取代。这样，对数控系统的选型越来越引起人们的关注。 j 。b n c 3 2 0 c 7 5 0 型单板微机数控卧式车床的改造是北京市机械工业学校实 习车间的一个技改课题。 北京工业大学工程硕士学位论文 本课题的主要任务是：针对原机床功能不全和数控系统功能不强，将原机 床数控系统( 单板机) 以新的经济型数控系统( c n c ) 替代；驱动元件采用步进 电机；传动系统采用滚珠丝杠副：刀架采用自动转位刀架；增加主轴脉冲发生 器和x 向、z 向限位开关。去掉原数控架子，设计一个立式数控柜。改造后的 机床功能应超过原机床的功能。 d 一 第2 苹 数控化改造的可行性分析及总体方案设计 第2 章数控化改造的可行性分析及总体方案设计 2 1 机床简介 j - b n c 3 2 0 c 7 5 0 型单板机数控卧式车床是济南第机床厂于1 9 9 1 年3 月出 厂的，它有x ，z 两个坐标轴，实行开环控制，具有手动和自动两种控制方式。 该机床以j k w 一1 单板机作为智能部件，它和大功率执行部件步进电机组成了功 能较低的数控系统。 本机床是一种多用途的数控车床，特别适用于大批加工中小型轴类、套类、 盘类零件，适用于加工阶梯轴、阶梯孔、阶梯端面、切槽、倒角并可对任意锥 度进行加工，但不能加工螺纹。 本机床主要参数见表2 - i ： 表2 - i 机床主要参数 t a b l e 2 1m a c h i n et o o lm a i np a r a m e t e r s 序号项目参数 1床面以上最大工件回转直径3 2 0 m m 2 刀架以上加工最大直径 1 7 5 m m 3最大工件长度7 5 0 m m 4 主轴转速种数正反转各1 2 种 5 主轴转速范围4 5 - - 1 9 8 0 r m i n 6主轴电机功率4 k w 7 步进电机输出扭矩 8 n m 8控制坐标数x ，z 9 脉冲当量z 向：0 o l m mx 向：0 0 0 5 m m 1 0最大编程尺寸9 9 9 9 9 9 m m 1 1 最小输入增量 0 0 i m m 机床的数控进给量：横向( x 向) ：1 3 1 4 4 0 m m m i n 纵向( z 向) ：2 6 2 8 8 0 m m m i n 2 2j 。b n c 3 2 0 数控化改造的可行性论证 j 。b n c 3 2 0 c 7 5 0 虽然1 9 9 1 年3 月出厂，但一直未能批量生产过产品，机床 本身机械部分的磨损很小，导轨和齿轮等的磨损也很小。原机床的综合精度为 0 o l m m ，根据设备完好标准规定“”： 数控机床的精度= 原机床精度f 其中： 一机床使用年限系数 6 年以内胆l 6 1 2 年兰1 _ 2 1 5 年以上胆l3 jl b n c 3 2 0 c 7 5 0 机床实际使用年限小于6 年，因此，机床的几何精度仍为 0 0 1 m m ，所以原机床从磨损程度角度能够保证。 2 3 总体设计思路 2 3 1 设计任务 本设计是对j b n c 3 2 0 c 7 5 0 型单板机数控卧式车床进行改造，将原机床数 控系统( 单板机) 以新的经济型数控系统( c n c ) 替代：驱动元件采用步进电机； 传动系统采用滚珠丝杠副，带动执行部件完成直线运动：刀架采用自动转位刀 架；增加主轴脉冲发生器和x 向、z 向限位开关。去掉原数控架子，设计一个 立式数控柜。 图2 1 是数控系统控制执行部件完成直线运动的工作过程。 图2 - 1 数控系统的工作过程图 2 3 2 总体改造方案的确定 本机床由机械系统、电气系统、液压系统、刀具系统和机床附件等部分组 成，见图2 2 。 图2 - 2 机床的组成 - - - 6 - 第2 苹数控化改造的司行性分析及总体设计方案 由于是机床改造，所以在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽量少， 以降低成本。根据j 。b n c 3 2 0 c 7 5 0 的有关资料以及数控机床改造的经验，确定 设计方案为： 车床主轴保留原手动变速机构，电动机经变速箱和主轴箱实现主轴转动， 对控制电路做改动，实现数控系统对主电机起、停、正、反转，主传动链保持 不变。车床的进给是采用数控系统对数据进行计算处理，由i o 接口输出步迸 脉冲控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，刀架从而实现纵、 横向进给运动，刀架采用自动转位刀架。为增加车螺纹功能，采用主轴脉冲发 生器。为保证加工安全性，增加x 向、z 向限位开关。 2 4 本章小结 j 。b n c 3 2 0 c 7 5 0 型单板机数控卧式车床是济南第一机床厂于1 9 9 1 年3 月出厂， 但一直未能批量生产过产品，机床本身机械部分的磨损很小，导轨和齿轮等的磨 损也很小。经计算，机床的几何精度仍能够保证为0 o l m m 。 对j b n c 3 2 0 c 7 5 0 数控化改造进行了可行性分析，确定了改造方案。确定 改造方案为车床主轴转动由电动机经变速箱和主轴箱实现，车床的迸给是用步 进电机带动滚珠丝杠转动，使刀架实现纵、横向进给运动，刀架采用自动转位 刀架，机床能够车削螺纹。 北京工业大学工程硕士学位论文 第3 章1 b n c 3 2 0 c 7 5 0 数控化改造的方案 在确定了车床主轴转动由电动机经变速箱和主轴箱实现，车床的进给是用 步进电机带动滚珠丝杠转动，使刀架实现纵、横向进给运动，刀架采用自动转 位刀架，增加主轴脉冲发生器和x 向、z 向限位开关的设计方案后，要进行机 械部分的设计与计算、主轴电气部分的改造和进给电气部分的改造工作。 3 1 机械部分的设计与计算 3 1 ，1 滚珠丝杠的校核与计算 3 1 i 1 纵向滚珠丝杠的校核与计算 己知条件：工作台重量：w = 8 0 k g f = 8 0 0 n 时间常数：t = 2 5 m s 滚珠丝杠基本导程：l o = o m m 行程：s = 7 5 0 m m 快速进给速度：v m a x = 2 m m i n ( 1 ) 计算切削力由文献 2 9 查得，切削功率见公式( 3 1 ) ： 只- - y 刀k ( 3 1 ) 式中卜主电机功率( j ，b n c 3 2 0 c ：y = - 4 k w ) 毋主传动系统总效率，一般为0 7 5 0 8 5 ，取1 7 = 0 ，8 序一进给系统功率系数，取k = o 9 6 由公式( 3 1 ) 得序4 x 0 8 0 9 6 = 3 0 7 2 ( k w ) 切削功率应按在各种加工情况下遇到的最大切削力和最大切削速度来计算，即 p ：墨上 一6 1 2 0 ( 3 2 ) f ：! ! 垫：墨 2 v 式中露一主切削力( n ) 舻一切削速度( m m i n ) 设按最大切削速度来计算，i 仅v = 1 0 0 m m i n ，按公式( 3 2 ) 计算： 得f z ：业等业= 业掣= 1 8 4 3 2 ( ) 一一 第3 章 j l b n c 3 2 0 c 7 5 0 数控化改造的方案 由文献 2 1 可知，在一般外圆车削时： 丘= ( 0 1 - - 0 5 5 ) 只( 3 - 3 ) f ( 0 1 5 一一0 6 5 ) 只( 3 4 ) 得丘= o 5 序o 5 1 8 4 3 2 = 9 2 1 6 n e 二o 6 只= 0 6 1 8 4 3 2 = 1 1 0 5 9 2 n ( 2 ) 强度计算计算作用在丝杠上的最大动负荷e 。 先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算出丝杠的轴向载荷， 再根据要求的寿命值计算出丝杠副应能承受的最大动载荷e ，见公式( 3 5 ) ： 巴= 刮工厶 ( 3 5 ) 式中。一工作负载( n ) ，是指数控机床工作时实际作用在丝杠上的轴向力 争一运转系数，一般运转系数取- - 1 2 1 5 o 唾更度系数，h r c = 6 0 时，五为1 ；h r c l - 一寿命，可由公式( 3 - 6 ) 计算 l = 6 0 n t 1 矿 ( 3 - 6 ) 式中滚珠丝杠的转速( r m i n ) 卜使用寿命时间( h ) ，数控机床t 取1 5 0 0 0 h 对于综合导轨的工作负载的数值可用文献 2 1 中牵引力的实验公式计算，见公 式( 3 - 7 ) ： f 蠢f ，f “i f 艚) 0 3 - 、 式中 e 、一切削分力( n ) 卜移动部件的重量( n ) 卜考虑颠震力矩影响的系数，k = 1 1 5 ，导轨上的摩擦系数。，= o 1 扣_ o 1 8 ，取，= o 1 6 得辟1 1 5 9 2 1 6 + 0 1 6 ( 1 8 4 3 2 + 8 0 0 ) = 1 4 8 2 7 5 2 ( n ) 当机床以w - - l o o m m i n ，y = - o 3 m m r 的切削用量j j n i d = 8 0 砌的外圆时，丝杠的 转速见公式( 3 - 8 ) ： n ：1 0 0 0 vx f ：1 0 0 0 x 1 0 0 x 0 3 ：1 9 。9 ( r m i n ) ( 3 8 ) 石d 厶 3 1 4 8 0 6 、 北京工业大学工程硕士学位论文 由公式( 3 _ 6 ) 得三= 警= 6 0 。1 育9 9 “一1 5 0 0 0 = 1 7 9 1 ( y e a r ) 1 n o1 n 6 根据工作负载研寿命厶由公式( 3 - 5 ) 计算出滚珠丝杠副承受的最大负载 取= 1 2 ，五= l 得 = 瓴磊x 厶墨= 佩i 2 1 1 4 8 2 7 5 2 ：4 6 5 5 3 ( ) 原机床滚珠丝杠的额定动载荷为1 6 9 1 7 n ，强度足够用。 由文献 2 8 ，丝杠螺母副的传动效率_ 7 见公式( 3 - 9 ) ： 卵2 否丽t g y ( 3 9 ) 辔( ，+ 矿) 式中，的螺旋升角该丝杠为3 。2 5 7 西角约等于1 0 由公式( 3 - 9 ) 得 行： 堡! 翌 ：o 9 5 3 t g ( 3 0 2 5 + l o 1 ( 3 ) 验算刚度滚珠丝杠工作时受工作载荷的作用而引起导程厶发生变化， 故工作负载引起的导程变化量见公式( 3 - 1 0 ) ： a l ：百f p 。l o ( c m ) (310)ae 、 。 式中厂- 滚珠丝杠的螺距，厶= 6 m m 卜弹性模数，对钢e = 2 0 6 x 1 0 6n c m 2 序一滚珠丝杠截面积( 按其内径计算，a e 2 7 7 c m ) a ：笙：! ：! ! ! ! ：! ! ：6 0 2 3 r 侧：、 44 、 见公式( 3 - 1 1 ) ( 3 1 1 ) 由公式( 3 - 1 0 ) 得a l = 煮淼订1 7 ”c m 因丝杠受扭时引起的导程变化很小，可忽略。 丝杠1 m 长度上导程变形的总误差为见公式( 3 - 1 2 ) ： = 1 0 0 l o ；c a ( 3 1 2 ) = o o o 6 7 1 7 1 01 = 1 1 9 5 ( 1 a m m ) 因丝杠为三级精度，三级精度丝杠允许的螺距误差为4 0um 故刚度足够。 ( 4 ) 计算稳定性原机床滚珠丝杠两端均装有向心球轴承，不会发生失稳 第3 覃 j i b n c 3 2 0 c 7 5 0 数控化改造的方案 现象。 3 1 1 2 横向滚珠丝杠的校核与计算 已知条件：工作台重量g = 3 0 k g f = 3 0 0 n 时间常数t = 2 5 m s 滚珠丝杠基本导程l ：4 m 脏旋 快速进给速度v m a x = i m m i n ( i ) 计算切削力横向进给量是纵向进给量的一半，则横向切削力约为纵 向切削力的一半。 e = 1 8 4 3 = 9 2 1 5 ( n ) ：昙1 1 0 5 9 2 ：5 5 2 9 6 ( n ) ( 2 ) 强度校核计算作用在丝杠上的最大动负荷e 对于综合导轨： f 1 _ k f f + f 。( f ：+ 嘞 取肛1 1 5 ， ，= o 1 6 则皆1 1 5 5 5 2 9 6 + 0 1 6 x ( 9 2 1 5 + 3 0 0 ) = 8 3 1 3 4 ( n ) n ：半：3 0 p r a i n ) r o a n ) ”2 i 一2 j u p 寿命值 三= 等= 坐等业= 2 7 ( 万转) 根据工作负载聊寿命厶计算出滚珠丝杠副承受的最大负载： 取= 1 ，2 ，= 1 只= 扼厶 耳= 沥1 2 i x 8 3 1 3 4 = 2 9 9 2 8 ( n ) 原机床滚珠丝杠的额定动载荷为5 8 6 2 n ，强度足够用。 计算效率丝杠螺母副的传动效率刁为： 订：燮 。 培( ，+ ) 式中r 螺纹的螺旋升角该丝杠为3 。3 8 西一摩擦角约等于l o 打： 塑塑 ：0 9 5 6 栌面翥再而2 北京工业大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 验算刚度滚珠丝杠工作时受工作载荷的作用而引起导程厶发生变化， 故工作负载引起的导程变化量： 皿：量选f c m l 式中厶滚珠丝杠的螺距，l 。= 4 硼 手弹性模数，对钢庐2 0 6 1 0 6n c m 2 a 滚珠丝杠截面积( 按其内径计算，庐1 7 5 c m ) 4 ：笙：! ：! 兰! ! ：! ! ：2 4 0 4 ( c m 2 ) 44 al=蒜淼娟7lxl0-6(era206 xx 24 0 4 ， 1 0 0 因丝杠受扭时引起的导程变化很小，可忽略。 丝杠1 m 长度上导程变形的总误差为： 4 = 1 0 0 l 。x 仁1 0 0 0 4 x 6 7 1 1 01 = 1 6 7 7 um m 因丝杠为三级精度，三级精度丝杠允许的螺距误差为4 0um m ，故刚度足够。 ( 4 ) 计算稳定性原机床滚珠丝杠两端均装有向心球轴承，不会发生失稳 现象。 故横向滚珠丝杠合格。 3 2 主轴电气部分的改造 3 2 1 主轴控制 车床主轴保留原手动变速机构，对控制电路做改动，实现数控系统对主电 机起、停、正、反转，主传动链保持不变。车螺纹采用主轴脉冲发生器。 原机床主传动的传动路线见图3 1 ：主传动为分离式，变速箱有6 级速度， 主轴箱有i 、i i 两档，主轴转速有l2 种。 图3 - 1 原机床主传动的传动路线图 保持原有机床主轴箱、变速箱结构，虽然加工中改变速度较麻烦，但是它可 以节省很大的资金，对机床的使用性能影响不大，所以确定保持原有的主轴箱和 变速箱。 3 2 2 主轴脉冲发生器 第3 章 j i b n c 3 2 0 c 7 5 0 数控化改造的方案 在数控车床上，由于主传动系统和进给传动系统是分别传动的，所以要加工 螺纹，必须在主轴上安装主轴脉冲发生器，用它来构成主轴和进给刀架之间的内 联系传动链，把主轴的旋转运动信息传给数控系统，由数控系统来形成数控螺纹 传动链。数控系统根据主轴旋转角度去控制进给刀架的运动。 数控螺纹传动链必须解决两个问题：一是保证主轴转一转时刀架必须移动工 件的一个螺纹导程；二是在重复车削同一螺纹时不乱牙。 主轴脉冲发生器有两种脉冲输出”1 ： 1 ) 进给脉冲：保证主轴每转1r ，均匀地发出一定数量的脉冲；它用来控 制车刀的进给量，以保证车出正确的螺纹导程。 2 ) 零位脉冲：主轴转一转发出1 个脉冲的“零位脉冲”；它用来控制车刀 切入工件的起始位置，以保证多次走刀重复车削同一螺纹时沿同一位置切入，不 发生乱牙。 主轴脉冲发生器工作原理如图3 2 所示“。 图3 - 2 主轴脉冲发生器工作原理图 主轴脉冲发生器是增量式编码盘，是由光源1 ，光电盘2 和光电元件3 组 成。光电盘采用照相腐蚀技术制作，精度高，分辨力强。为了判别转动方向， 与光栅鉴别方向一样，将光电元件膨、安装时错开9 0 。相位角。 光源照射后，每当光电盘旋转一个节距，光电元件膨、上产生具有9 0 。 相位差的正弦波信号，经放大整形及方向鉴别线路后再送至可逆计算器控制计 数即可测得转角脉冲数及正反转方向。这种方式测得的脉冲是相对于上一次位 置的增量值。 m c 是为确定一圈的基准信号，它对应于轴一次旋转在固定位置上产生一个 脉冲。 z 相即是一转脉冲，它用来产生机床的基准点信号。 北京工业大学3 2 程硕士学位论文 ! s g ! ! ! ! 自目! ! ! s ! ! ! s ! ! | i i 。一 i i i i 自! ! 自! ! ! ! ! ! ! s ! ! ! ! ! ! ! ! 我们选用主轴脉冲发生器为增量式光电脉冲编码器。 t y p e ：l b j 0 0 7 2 0 4 8 b m 一一g 0 5 u s o u r c e ：d c5 v1 6 0 m a 输出信号：爿、占、j 、一b2 4 0 ( r 五乏1 r 脉冲发生器成本低，精度高，但在使用时必须注意抗冲击问题。为此我们 在主轴脉冲发生器处安装了防护罩。主轴脉冲发生器通过连轴器与主轴直接连 接。 3 3 进给电气部分的改造 3 3 1 控制方案的确定 机床数控系统的控制方式按其伺服驱动方式基本上分为开环控制( o p e n l o o p ) 、半闭环控制( s e m i c l o s e d l o o p )、闭环控制( c l o s e dl o o p ) 三种。 机床伺服系统控制方式的选择可参照下列表3 - 1 进行。 表3 - 1 伺服系统三种控制方式比较 t a b l e 3 一lt h ec o m p a r i s o n so ft h r a ek i n d so fc o n t r o lm o d ei nf o l l o w - u ps y s t e m 伺服系统控开环控制系统半闭环控制系统闭环控制系统 制方式 步进电机、电液脉电液伺服阀一液动机、宽调速直流伺服电 驱动系统 冲马达、电液脉冲液机、宽调速交流伺服电机 压缸 检测元件圆光栅、旋转变压光栅、感应同步器、 器、圆感应同步器磁光栅 优点简单，容易掌握，具有良好的调速性定位精度高 易于调试能，过载能力强 过载能力差，有噪精度低于闭环控制系统较复杂，调试 音，受功率和有限转系统但调试容易困难 缺点 矩限制，速度和精度 受限 补偿方式机械补偿旋转式检测元件直线式检测元件 适用范围小型机床，线切割中、小型数控机床高精度及大型机床 机 成本价格低廉价格适中价格昂贵 应用广泛，技术成目前大多数数控机精密型数控机床采 应用情况 熟床采用：用于改造精用，不适用于旧机床 度较高的机床改造 伺服系统是由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行 第3 章j 1 b n c 3 2 0 c 7 5 0 数控化改造的方案 部分，其作用是把来自数控装置的各种指令，转换成机床移动部件的运动速度、 运动方向和位移量。两个移动部件都有各自的伺服系统。 开环伺服系统在经济型数控系统改造机床中广泛应用。开环系统不对控制 的结果进行任何检测，只是根据输入信号进行控制，在控制过程中，对控制结 果可能出现的偏差没有进行修正的能力，系统中的各部分误差折合为系统的位 移误差，因此精度较差。但由于它不对被控量进行检测，因此系统结构简单， 易于调整，设备投资少。但随着计算机的应用，对减速齿轮的传动间隙，丝杠、 螺母副的传动间隙以及丝杠的螺距累积误差等都可以用软件实现补偿，从而提 高了系统的传动精度，并使硬件更为简单。我们选择开环系统。 3 3 2 数控系统的选型 关于机床改造中数控系统的选型问题，有的文献提出根据性能价格比选择， 但不全面，还要综合供应商的实力，对比型号。为给机床改造者提供一个正确 的思路，根据改造经验及有关文献，提出机床数控系统的选择步骤，即机床数 控系统选择的三步曲：性能价格比选择，供应商的选择，型号的选择。 3 3 2 1 性能价格比的选择根据数控系统的性能和价格把数控系统划分为 三个档次，即经济型数控系统、标准型数控系统和全功能型数控系统”3 。 ( 1 ) 经济型数控系统经济型数控系统，其功能简单、价格便宜，适用于 设备技术改造和自动化程度要求不高的场合，如步进电动机驱动的开环数控系 统。 ( 2 ) 标准型数控系统标准型数控系统功能齐全、价格适中，适用于中档数 控机床，应用广。 ( 3 ) 全功能型数控系统这类数控系统功能齐全，价格较贵，适用于加工复 杂零件的中大型机床及f m s ，c i m s 中使用的数控机床。 各种档次数控系统的选择需根据机床所要求的功能、机床本身状况以及改 造单位的投资状况决定。选择数控系统不仅重视机床的功能和精度，也同样注 重价格状况，应紧紧围绕自己的需要，做到功能、精度不闲置、不浪费，不选 与自己无关的功能。考虑对加工零件的精度的要求及经费的限制，本机床改造 选择经济型数控系统。 3 3 2 2 供应商的选择在选择供应商时需根据数控厂家的生产能力、是否己 北京工业大学工程硕士学位论文 批量生产、系统是否结构合理、制造是否精良、厂家的信誉、售后服务、用户 所反馈的信息等方面综合考虑。选择供应商实际上就是选择数控系统的可靠性， 可靠性是提高产品质量和生产率的保障。 3 3 2 3 型号的选择经过调研，选择了一种经济可靠，又有一定技术水平的 数控系统，该系统是由航天数控集团生产的，专门用于经济型数控车床的c a s n u c l t 数控系统。用国产数控系统，有利于促进民族数控产业的发展，同时也 可降低改造成本。 j ，b n c 3 2 0 型数控车床原有的数控系统与c a s n u c - - 0 0 1 t 数控系统主要性能 指标及功能对比见表3 2 ： 表3 - 2 数控系统主要性能指标及功能对比表 t a b l e 3 2m a i np e r f o r m a n c ei n d e xo fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n dm e r i t o r o u ss e r v i c e 序 性能指标及功能原有数控系统c a s n u c _ 0 0 i t 号 i n t e l 8 0 3 8 6 4 8 63 2 位微处 1c p uz 8 0 b ，时钟频率6 m h z 理器，时钟频率3 3 m h z 2 最小脉冲当量0 0 i m m0 0 0 1 m m 系统控制r o m 2 5 1 2 k b r o m3 2 k b 3存储器内存容量用户程序r a m2 * 1 6 k b r a m1 6 k b 参数存储器r a m 8 k b 4 手摇脉冲发生器1 0 0 p r 5主轴脉冲编码器2 4 0 0 p r 6图形显示器1 4 寸高分辨率彩色显示器 7 磁盘输入输出3 寸软盘驱动器 转进给0 0 1 m m r g 9 4 ：0 0 0 i m m r 8最小进给速度 分进给1 3 m m m i ng 9 5 ( 模态) ：i m m m i n g自动对刀功能有 ( 1 ) c a s n u c - - o o i t 数控系统的特点 数控集团最新研制的经济型车床数控系统， 一1 6 一 c a s n u c - - o o i t 数控系统是北京航天 主机采用了高性能3 2 位微处理器， 第3 章j i b n c 3 2 0 c 7 5 0 数控化改造的方案 驱动装置采用细分步进电机，配备1 4 ”高分辨率图形显