论-文-数控化改x6132.doc

甘肃畜牧工程职业技术学院36引 言制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。随着机械制造生产模式的演变,对机械制造装备提出了不同的要求.在50年代“刚性”生产模式下，通过提高效率，自动化程度,进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。从90年代开始，为了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高,采用拟实制造和快速成形制造技术。工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。通过这次毕业设计，可以达到以下目的：1.培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；2.强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；3.使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；4.培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。 第一章 概述数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批及多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。首先，数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有余而力不足；目前，各企业都有大量的普通机床。万全用数控机床替换根本不可能，而且被替代下的机床闲置起来又会造成浪费；在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；要较好地解决上述问题，应走普通机床数控改造之路。低成本普通车床数控化改造是一项适合我国实际情况的先进适用技术，也是一项提升我国机床数控化率的有效途径。在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。1.1 机床数控化改造的必要性从提高资本效率出发，改造闲置设备，能发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，从而提高机床的使用价值；适用于多品种、小批量零件生产；数控改造费用低，减少了投资额，经济性好。数控改造费用仅为新购一台数控机床的1525，同购置新机床相比，一般可以节省7585的费用。力学性能稳定可靠，结构受限。所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用，应此数控化改造使原有的机械结构更为简单；熟悉了解设备、便于操作维修，降低了操作者的技术要求，更易提高管理水平；可充分利用现有的条件。可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新地基；可以采用最新的控制技术；交货期短，可满足生产急需。机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先驱。数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。 1.2 普通机床数控改造的主要优点1、适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件； 在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。2、加工精度高； 3、生产效率高； 4、减轻劳动强度，改善劳动条件； 5、良好的经济效益； 6、有利于生产管理的现代化。 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。1.3 数控机床改造的设计步骤将普通机床改造为数控机床，是一项技术性很强的工作，必须根据加工对象的要求和工厂实际情况，确定切实可行的技术改造方案，搞好机床改造设计。其改造设计的一般过程如下：1、对加工对象进行分析，确定工艺方案，被加工工件既是机床改造的依据，又是机床改造后加工的对象。不同形状，不同技术要求的工件，其加工方法就不同，对机床的要求也不相同。例如，对于圆柱表面，常用表面，常用车削加工；而平面则一般用铣削，平面磨等方法加工；对精度、表面粗糙度要求一般的外圆柱表面，常用车削加工；而精度高和表面粗糙度要求低时则要在外圆磨床上加工。在工艺分析基础上，绘制工序图，初步选定切削用量、刀具运动路线，计算（或估算）生产率。然后计算切削力及切削功率，从而计算出进给系统需要的功率和力矩等。这是选择方案及驱动部件的依据，目前多用类比法或测定法完成。2、分析被改造机床，确定被改造机床类型，改造机床和设计机床的不同的，机床设计是根据设计任务书，对机床的整机进行设计，然后将机床和各组成零、部件一一地制造，最后装成机床；而机床改造则是围绕一台机床进行工作，不公要考虑机床本身结构改造，还要考虑工艺系统中的刀具、夹具及其它辅具的改进，以满足生产的需要。在制定机床改造方案时，可以根据制定的工艺方案，初步选定被改造机床的类型，然后对被改造的机床进行认真的分析，了解被改造要求以及经济性等。最后确定被改造机床的型号。3、拟定技术措施，制定改造方案，根据加工对象的要求和被改造机床的实际情况，拟定采取的技术措施，制定出机床的改造方案，选用外购件时，一定要保证质量。在拟定技术措施，制定改造方案时过程中，应充分进行技术经济分析，力求使改造的机床不仅能满足技术性能的要求，还要获得最佳的经济效益，使技术的先进性与经济的合理性较好地统一起来。4、设计或选用数控装置，在满足加工零件要求的同时，尽量使设计的数控装置功能强，稳定可靠，通用性好，价格低，或选用国内生产较好的专用数控装置。5、进行机床改造的技术设计。6、绘制机床改造的工作图。7、整机安装调试。以上各步，并非一成不变，而是要根据实际情况，相互穿插，有时要反复进行，直至达到改造要求为止。第二章 基本数据准备2.1 数据收集准备2.1.1 原机床有关数据为主轴主要参数： 主轴中心线到工作台面的距离:30-430mm主轴孔锥度:7:24 主轴孔径:29mm 主轴安装刀杆直径(三种):22mm、27mm、32mm主轴转速范围(18级)：30-1500rmin 工作台工作面（宽度长度）:400mm1600mm 工作台行程：纵向: 800mm 横向: 300mm 垂向: 400mm 工作台进给范围（21级）: 纵向: 10-1000 mm/min 横向: 10-1000 mm/min 垂向: 3.3-333 mm/min 工作台快速移动速度： 纵向: 2300r/min 横向: 2300r/min 垂向: 766.6r/min 主电动机: 7.5KW进给电动机: 1.5KW 外形尺寸（长宽高）: 183120641719mm2.1.2 工艺数据:工件加工余量：最大铣削宽度7mm，最大铣削深度40mm刀具数据：高速钢圆柱铣刀，直径由3240mm，刀齿数3-4工艺数据:主轴转速150190rmin；进给速度4060 mmmin；每齿切厚为0.050.2mm，取0.lmm计算。 X6132普通卧式升降台铣床实观图见图2-1所示。 图2-1 X6132普通卧式升降台铣床实观图2.2 主切削力计算根据机床设计手册,对高速钢圆柱铣刀，以工件为碳钢计算=68.2， 如以因此最大水平托动力1500kg(以下按15kN计算)，可以满足最大切削力要求其它有关主轴功率核算，夹紧工件用夹具所需夹紧力计算等从略。 2.3 机床进给部件重量估计纵向(称X轴)工作台，长1.335m，加上夹具等约重220kg；横向(称Y轴)工作台等运动件重量约450kg；升降(称Z轴)部分运动件重量1000kg。为防止升降台自行下滑，原机床设置有单向超越离合器及摩擦片式制动器，而上保证工作可靠，将摩擦阻力调到略大子升降工作台的重力在数控改造后仍要保留此功能，这样在实际运动时下降的阻力最大，按12kN计算。第三章 基本方案的比较和选择数控改造主要的总体方案应包括以下内容：1、伺服驱动系统选择2、数控装置的选择3、电器设备的选择4、机械部分设计5、数控硬件系统；XA6132铣床数控化改造初步方案示意图见图3-1所示。图3-1 X6132铣床改造方案示意图1离合器；2锥齿轮副；3，9滚轴丝杠副；4减速齿轮；5升降直流伺服电动机；6横向直流伺服电动机；7纵向直流伺服电动机；8减速齿轮3.1 伺服驱动在我国设备数控化改进的一段时间里，较多采用步进电机作为伺服驱动远见。步进电机是一种特殊结构的电机，它利用通电激磁绕组残生反应力矩，将脉冲电信号的能量转换为机械位移的机电执行元件。当激磁绕组按一定规律获得分配脉冲时，步进电机的转子就会转动。转子转过的角度与输入的脉冲个数据有较严格的比例关系，而且转动与输入脉冲在时间上同步，因此可以利用这些特点控制运动的速度和位移量。步进电机的优点是结构简单，电气控制和驱动电器业简，体积小，重量轻，价格便宜，设计制造较简单，容易调试，使用维修方便。位移精度较好，对各种干扰因素不敏感，结构误差不会积累。另外，机电时间常数小，反应快，但步进电机也有缺点，主要是容易丢步，启动频率低，工作频率也不够高，低频时振动大，冲击大，有时还有自激振荡，步进电机没有过载能力，当工作条件变动时，可能造成失误，一次步进电机多用于负载较小，负载变化不大或要求不太高的经济型简易型数控设备中。对于数控铣床的改造，为了保证改造后的性能不低于原铣床，选X、Z坐标快进速度不不低于2.4m/min，水平拖动力按15KN计算,则要求的功率P=FV=152.4/60=0.6KW.一般步电机达不到此功率要求。例如 ，160BF5B反应式步进电机，最大静扭矩19.6Nm 最高运行频率8000pps，步距角0.75，若取最高的工作频率下的工作扭矩为静扭矩的1/4，则高转速下功率为此外，由于步进电机没有过载能力，高速时扭矩下降很多，容易丢步。伺服系统作为数控机床的重要组成部分,它的性能优劣直接影响着机床的加工精度 ,表面质量和生产效率 ,它基本可以划分为3种 ,即开环、闭环、半闭环。3.1.1 开环系统开环系统是最简单的伺服系统 ,步进电机作为开环系统的主要装置 ,它具有结构简单(电器控制和驱动电路也简单),体积小,重量轻,价格便宜,使用维修方便等特点。开环伺服系统原理图见图3-2所示。步进电机驱动线路步进电机指令脉冲脉冲频率脉冲数目机床速度位置滚珠丝杠等旋转速度旋转角度图3-2 开环伺服系统原理图3.1.2 闭环系统闭环系统其结构复杂，技术难度大，测试和维修困难较多 ,造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度,能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设备中。其传动原理图见图3-3所示。 图3-3 闭环伺服系统3.1.3 半闭环系统 图3-4半闭环伺服系统原理图半闭环系统与闭环系统相似 ,其位置检测装置不是安装在执行部件上 ,而是安装在驱动电机的端部或传动杆的端部 ,间接地测量执行部件的位置或位移量。由于其调速范围宽(0.13000r/ min) ,过载能力强 ,又采用反馈控制,精度可达 0.010.001mm ,快速为0.5m/s,因此其性能远优于步进电机开环控制,且反馈环节不包括大部分机械传动元件,调试比闭环简单,系统稳定性较易保证,比闭环容易实现。因此 ,采用半闭环系统 ,是比较稳妥可行的。3.1.4 交、直流伺服电机的比较 闭环、 半闭环系统都可以采用交流或直流伺服电机,由于交流调速逐渐扩大了其使用范围,似乎有取代直流伺服的趋势。但交流伺服的控制结构较复杂,技术难度高,普及不广,而且价格高(直流伺服电机1. 52 万元/台,交流伺服电机为 23 万元/台)此外,相比于直流伺服的大惯量电机,交流伺服电机自身惯量小,调试时困难大一些,维修时元件来源也较困难。直流伺服电机原理接近于直流电机,控制系统技术也较成熟,普及较广,其主要缺点是体积大,重量大,还要用整流子和电刷,增加了维修工作量。 经过上述比较 ,综合了成功率、技术难度、精度和投资等因素,本设计决定采用直流伺服半闭环控制。3.2 数控装置 数控装置的选择也有多种方案。例如，可以全部自己设计、制作;可以采用单板机STD 模块控制；可以选用现成的数控装置作少量的适用化改动或配接。在工厂的实际应用中，一般采用以下2种解决办法。一种情况是所需的功能和要求有现成的数控装置可以满足，这时大多采用买现成产品的方案，因为自行设计制作不但浪费时间,投资也不一定能省，往往投资更多，而且质量也不一定能够保证。另一种情况是买不到现成产品来实现有些特殊功能，这时大多采取买性能价格比尽量高的性能接近的装置，然后自补充或改造，至少也是买 STD 模板或工控机、单板机来制作。 根据已选定的直流伺服驱动与加工要求，所配数控装置应能实现闭环(半闭环)控制，提供模拟量控制信号，接收半闭环的反馈信号；要能控制三个坐标轴的运动，其中至少需同时控制两轴联动完成圆弧差补；为了在加工中可以使用不同尺寸的刀具，数控装置应具有刀具的半径和长度补偿功能，以便数控加工中按轮廓编制程序而能适应刀具尺寸的变化，为了适应将来发展的需要及结构清晰，决定采用STD模板，模块化设计。3.3 其它电气装置 在数控化改造中，还需要结合数控装置和伺服驱动的特点配置其他电气部分，包括强、弱电信号的变换、传输或必要的处理，其中对输入输出接口要考虑是否有隔离、屏蔽要求；此外，还要配备所需的电源，各种保护电路，检测显示等辅助电路。3.4 机械部分在设备的数控化改造中，虽然核心部分是数控，涉及较多的是微电子和电气，但绝不是全部。如果忽视了机械方面按照数控机床的特点进行相应的必要改动，或者在改造中设计制造不尽合理，结果会给数控化改造带来意想不到的困难，甚至可能因为机械问题而导致失败。3.5 CNC数控系统的组成本设计选用CNC系统由 CPU存储器模板、伺服电机接口电路板键盘、显示器接口电路板和开关量输入、输出接口电路板组成。各模板主要功能如下。1、CPU存储器模板该板主要进行各种数据运算，在定时器的干预下，定时执行系统程序，协调、管理各部分电路工作。此外，还具有掉电保护、上电复位以及产生脉冲信号等功能。同时，板上的存储器，用于存储系统软件，运算结果暂存以及存放零件加工程序。板内的通讯接口为该板与外设进行通讯提供了方便。2、伺服电机接口电路板该板是连接伺服电机与 CPU 的桥梁。CPU 发出的控制伺服电机的指令代码，通过该模板的 D/ A转换，运算放大后被送入电机驱动源，从而实现对电机的自动控制。同时电机的运转状态，通过检测装置发出的脉冲信号，在该板进行处理后，以代码的形式送入 CPU，CPU据此调整控制电机的指令，由此构成位移量闭环系统。如果将脉冲信号经 F/ V 转换，可得速度控制单元的反馈电压，由此构成速度闭环系统。3、键盘、显示器接口电路板该板是操作人员与数控系统交换信息的主要接口，操作人员可以通过该板干预控制流程，修改零件程序，设定系统参数，操纵数控机床完成各种运动，也可以通过该板了解数控系统中有关的数据和运行情况。4、开关量输入和输出接口电路板输入接口电路的主要功能，就是完成电平转换任务，即将机床的开关或通断状态转换成 CPU 能接受的高、低电平。输出接口电路的主要功能，是将 CPU 控制机床开关的数据信息，经过锁存、充电隔离、放大后控制开关的继电器，从而控制开关。5、STD总线STDBUS是56线的同步总线，由6 根逻辑电源线，8根双向数据线，16根地址线，22 根控制线，4 根辅助电源线组成。数据总线和地址总线都是三态隔离式的，所有插板在不同时，必须是让数据总线处于高阻状态，地址总线也是三态式的，通常受CPU板控制，控制总线包括对存储器、I/ O 接口总线访问，中断和CPU的控制线，配有5V和12V的电源。第四章 机械部分设计和计算4.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计 4.1.1 铣削力的分析与计算在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工过程中平均铣削条件为准。因此取=5mm ,=0.1mm, =40mm, Z=4, =36mm, 对圆柱高速钢铣刀, 取68.2， =9.81 =9.8168.20.14043735N。式中： 铣削接触深度（mm）; 每齿进给量（mm/齿）； 铣刀直径（mm）； 铣削深度（mm）； Z 铣刀齿数。对圆柱铣刀逆铣加工，工件所属切削力反力有11.2，0.20.3,0.350.4, 取中间值 即1.1，0.25,0.375则 =0.3753735而插补平面内合力P= 1.13,在一周的切削过程中取平均切削力为=P/32.814KN.4.1.2 最大工作载荷的计算 对燕尾形导轨工作时的轴向压力为式中： 分别为工作台纵向进给方向载荷，垂直载荷和横向载荷； 考虑颠复力矩影响的实验系数； 动部件的重量； 导轨道上摩擦系数。取k=1.4，摩擦系数 ，而。则：4.1.3 最大动载荷的计算取使用寿命时间为T=1500小时，滚珠丝杠转速年n=F/S, 其中进给速度F取为60mm/min ，滚珠丝杠的螺距S取为6mm ，则得：n=F/S=60/6=10r/min，而寿命值：L=60nT/10=。取运转系数,硬度系数 ；则最大动负荷为： 式中: 滚轴丝杠副的寿命，以为一单位； 载荷系数； 硬度系数； 滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。4.1.4 规格型号的初选如选用列的滚珠丝杠，在表中查得其动负载为C=2650kgf=25.97 KN,可见QC，从工作寿命考虑没有问题。反之计算， 则寿命时间为： 可以保证有很长的工作寿命。 最大静负载校核，其 以机床最大水平拖力15KN计算，只占的约13.24% , 。4.1.5 刚度验算单个螺距的拉压变形：式中: 丝杠两端支承间的距离，单位为； 丝杠的最大工作载荷； 丝杠材料的弹性模量； 丝杠按底径确定的截面积，单位为。其中取4.65KN， ,而所以 单个螺距的扭转变形，但由于扭矩很小，其产生的变形更小 ，可以忽略，则一米丝杠因弹性变形所产生的导程变形总误差约为 这个值只能满足精度等级为F的丝杠所允许值。由上述计算可见，在数控机床的设计计算中，有些零部件即使满足了强度条件，也满足工作寿命及疲劳条件，在刚度方面却仍显不足。为了采取预拉紧措施，决定两端固定，不校核稳定性。为兼顾摩擦阻力和效率，预紧力为2.5KN，即按最大7.5KN的 1/3计算。4.1.6 传动效率的计算以水平拖动力,滚珠丝杠螺母距，滚轴丝杠的传动效率为： 而, 。4.1.7 滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法 滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙，其数值是指丝杠和螺母无相对转动时，二者之间的最大轴向窜动量，除了结构本身的游隙之外，还包括施加轴向载荷后产生的弹性变形所造成的轴向窜动量。 由于存在轴向间隙，当丝杠反向转动时，将产生空回误差，从而影响传动精度和轴向刚度。通常采用预加载荷（预紧）的方法来减小弹性变形所带来的轴向间隙，以保证反向传动精度和轴向刚度。但过大的预加载荷会增大摩擦阻力，降低传动效率，缩短使用寿命。因此，一般需要经过多次调整，以保证既消除间隙又能灵活运转。调整时，除螺母预紧外还应特别注意使丝杠安装部分的间隙尽可能小，并且具有足够刚度，同时应注意预紧力不宜过大，预紧力过大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。 本设计采用螺纹调隙调整滚珠丝杠螺母副间隙。如图41所示，其中一个螺母的外端有凸缘；另一个螺母的外端没有凸缘，而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定着。旋转圆螺母时，即可消除轴向间隙，并可达到产生预紧力的目的。调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。这种方法调整方便，且可在使用过程中随时调整，但预紧力的大小不能准确控制。 4.1.8 滚珠丝杠的支承 数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠副本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及支承结构的刚度也是不可忽视的因素。如为减少受力后的变形，螺母座应有加强肋，增大螺母座与机床的接触面积，并且要连接可靠。另外，采用高刚度的推力轴承可提高滚珠丝杠的轴向承载能力。图4-1 螺纹调隙式 滚珠丝杠的支承方式有多种形式，具体见图42所示。 图42滚珠丝杠的支撑方式(a)仅一端装推力轴承;(b)一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承； (c)两端装推力轴承;(d)两端装推力轴承和深沟球轴承 （在本设计中采用双推简支的支承形式），一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承这种支承形式有以下特点：1临界转速、压杆稳定性较高；2丝杠有热膨胀的余地；3适用于较长的卧式安装的丝杠；4.2 齿轮传动比的计算4.2.1 传动比的计算根据一般的设计原则,为了有利于提高传动精度 ,应尽量减少传动级数 ,并且尽可能避免采用升速的传动速比。根据一般的设计原则，为了有利于提高传动精度，应尽量减少传动级数，并且尽可能避免采用升速的传动速比。从直观感觉看，传动级数越多，涉及零件多，传动间隙多，最终产生的累积误差则越大，而且误差分散性也大。由转角误差分析公式也可以看出，如果级数越多，误差项就多；如果有的传动比（升速），则某些项的值会增大，两者综合最终的增大很多。本机床在改造过程中为了减少对原机床结构的改动，充分利用原有的结构零件，以减少改造费用和工作量，往往受到一些结构的限制，不可能按一般设计方法选择较差的传动比。由于原结构中丝杠安装在工作台滑鞍上，将直流伺服电机与丝杠联结，将简化传动结构，有利于提高精度，减小转动惯量、摩擦、磨损和损耗。如果设计采用固定丝杠，转动螺母传递运动的方案，则受到原机床结构的限制，改造难度较大，所以本设计采用固定螺母，转动丝杠传递运动的方案。本设计采用X 轴运动中是丝杠转动 ,螺母不动 ,由于一级传动难以实现 ,为此在设计中采用二级传动。为了使丝杠的螺距值与数控装置中可选择的参数相匹配 ,并使传动性能较好 ,选择了总减速比为。本机床改造中取 ,从而使总传动比为：可见总传动比得以满足。4.2.2 齿轮间隙消除弹簧的计算进给伺服系统中的减速齿轮，除了本身要求的较高的运动精度和工作平稳性外，还必须尽可能消除齿侧传动间隙，否则，进给运动会产生反向死区，影响传动精度和系统稳定性。为了消除齿轮传动的间隙，采用双片薄齿轮错齿调整法。具体调整机构见图4-3所示。弹簧的材料及许用应力应根据工作条件选择，考虑到消隙用弹簧工作状况一般，所 图4-3 双片薄齿轮错齿调整机构以选用一般的碳素弹簧钢丝II组。考虑到安装位置和结构的限制，又为了安装调整省力方便，选用d=2 , D=12B型5.5圈拉伸弹簧，其中 , ,为最大工作载荷及其螺距。弹簧的单圈刚度为,未拉伸时弹簧的工作部长度为H=13mm，其持点距离，挂勾孔中心。设计拉紧力是在工作扭矩下，拉簧的拉紧力产生的扭矩略大于工作扭矩，使薄片齿轮在加工过程中起到消除齿轮间隙的作用。设计中取每根拉簧的拉力为150160N， 取力臂值为30mm。则4根拉簧可以产生的合扭矩值为:M=（150160）30mm4= (1819.2) =18 19.2N.m 。可以抵抗的轴向力为: (1819.2) ()（36/50）（13.5714.48）kN能满足加工中的需要。同时，拉紧力又不至于太大，可以减少齿面的摩擦和磨损，减少传动损耗。安装尺寸计算： 以弹簧单圈变形量为1mm计算，工作圈为5.5时其总的变形量为5.5mm，则工作中的。安装中两端采用仿弹簧用吊环螺栓AM4结构加长作为支承和一端拉勾，另一端用近似AM2 结构拉住并用M4 螺母调节，两支承所需距离为拉簧工作长度加上结构尺寸，共约为。消除弹簧的安装，以 单根为例，示意如图7所示。类似可以计算Y轴轴向消隙弹簧参数。直齿圆锥齿轮传动时受其中 d=m Z,取 ，m=3 , Z= 22 , T= 34.3 N.m. 则轴向力，其中 则 ，代入得轴向力 。考虑到轴向弹簧的安装，用d=4mm的压缩弹簧，D=40mm ,其 。4.3 传动轴的设计计算 以水平拖力P=15KN ，滚珠丝杠螺距S=6mm , 滚珠丝杠的传动效率，而 ，则。产生水平托动所需扭矩为 再考虑传动损失、速比、快速启动等，选用电机的扭矩为17.6 N.m 由于加工时运动速度要求不高，所以可以少量降速，选i=1.5 ，则传动轴上扭矩约为17.61.5=26.4 N.m 。由于结构的限制，选用d=40mm , D=55 mm的空心钢轴，需要校核其强度。抗拉强度抗扭其中k 为考虑启动、制动时作用扭矩的倍数，取 k=10，则，按45钢计，为3040MPa。 刚度校核，以15KN计算刚度，对传动轴全长260mm以250mm计，E=200GPa，则。以对应所需的扭矩15.2N.m 计算扭矩刚度，对应S= 6mm ，则有：。4.4 运动部分转动惯量计算惯量对运动特性直接有很大影响，不但对加速能力、加速时驱动力矩及动态的快速反应有关，因此核算转动惯量很有必要。仍以X轴的计算为例列出。对实心圆柱体，转动惯量的计算公式为: 式中： D为圆柱体直径； m为质量。 式中： L为柱体长度； 为材料密度，对钢体可取为。因此可得 ，当D和L 的单位取为mm时， 对外径为D ，内径为d的圆环， 1、I轴：电机轴上齿轮m=3，Z =24，取计算值 ，宽为L=30mm,另一段D=60mm,L=15mm，两部分d=35 mm，则转动惯量为： 2、II轴：计算用尺寸为：，2段：，3段：，mm,;, ,因此得： 3、III轴：计算用尺寸为：，；，；，；，。另外，丝杠螺母尺寸为：，则输出轴转动惯量为： 工作台折算到I轴： ，式中： GX轴工作台水平运动件总重，值为220 kg , S丝杠螺距，S = 6 mm , I轴电机轴到丝杠的总降速比。则有： 。由，则折算到电机轴上的总惯量为：电机转子转动惯量为：比,。按经验公式，可见惯量匹配。加速能力核算，电机能达到的最大转矩取为17.66Nm，电机每转所对应的工作台移动距离为S/,其中S为丝杠螺距，为电机到丝杠的总降速比，所以X轴传动机构的加速能力为。设计X轴最快移动速度为，其对应的所需最大加速度为，为满足，要求。说明在调整系统参数时，系统增益不得大于等于23.18，否则电机的加速能力不能满足要求。4.5 锥形夹紧环结构的设计计算 伺服电机的轴身为光轴，采用锥形夹紧环与齿轮相连的方式比较方便。电机轴直径为 ，由机床设计手册3中可选用到d=35, D=40, L=7, l=6, 的锥环，选用2组。其计算过程如下：基本参数、克服间隙所需轴向力为N；单位接触压力所递的扭矩M。=1.38N.m/MPa; 产生单位压力所需的轴向力F=356N/MPa;摩擦系数。 所能传递的扭矩M=CM。P，其中为额定扭矩， k. 5为动载荷系数,P为许用接触压力，P=1015kgf/mm,取为100150MPa。系数，其中n=2为数组，故有： , 而 。 选电机扭矩为取k = 6 , 则有 ,所需轴向力为 。用螺栓拉紧压紧套产生轴向力，螺栓强度计算公式 校核。取=0.4 ，n = 6 , 用代入，则得 。由于安装位置有限，若采用M6X1的螺栓，则要求 ，只能采用40Cr并经调质处理来达到。 通过以上计算可以看出：1、对锥形夹紧环轴结构必须进行计算，否则如果轴向压紧力太大，可能超过许用接触应力P，造成零件的损坏；2、在考虑压紧套时，要产生压紧力的接触面积并不大，例如上述数据的面，可推得接触压力为p=P/S=27.3/216 ，可见压力较大。考虑到紧固用螺栓不大，接触面积很小，也会形成大的接触压力。因此压紧套也应选用较好的材料制作，否则会因接触压力造成损伤。3、为保证合适的轴向力，在紧固压紧套时，对螺栓所施加的拧紧力矩应受到控制，可用式得出: ，式中: F单个螺栓的锁紧力， 螺栓的中径，螺纹升角，摩擦角；4、上述计算实际上很粗，因此可以达到0.2 ，且由 求消除间隙所需轴向力时； 变化，变化亦很大，这给精确调整和控制轴向力带来困难。例如上述 值的计算值，是按E7/h6求出的，而实际上电机轴所标的精度为h5。 5、也可采用带螺纹的压紧带，其强度比较容易满足，只是制造稍复杂些；另外套与锥环接触面在压紧时要相对滑动，对压紧不利，有磨损。 4.6 传动系统刚度核算传动系统的刚度不足将对数控机床带来严重后果，例如，在微量进给或补偿时，就会被弹性变形淹没，而造成微量进给失败。此外，刚度不足还会使机床工作台作低速直线进给运动时产生爬行，使系统的固有频率下降，损失了稳定和随动特性等。对丝杠螺母传动，其变形包括丝杠的拉压变形和扭转变形，丝杠螺母座的变形及与丝杠之间的接触变形，轴承及其座的变形，其它部件如支架、垫、紧固件的变形等。工程中常近似取丝杠的拉压变形所确定刚度的三分之一作为传动刚度，计算式为 ，取丝杠长度为=1.435m,则 。可见刚度不十分大，与前述分析一致。根据微量进给的灵敏度2,传动系统的刚度应满足KF0/,其中为部件运动时的静摩擦力，.N为正压力，在本设计中，为摩擦系数，对铸铁-铸铁（钢）之间的滑动摩擦，取。如取中间值，则有 ，如取最小进给量，则 ，要求的。对于已求出的，则可求出 。可见本进给系统的最小进给量只能达到约0.01mm左右。若要进一步减小，即提高微量进给灵敏度，必须提高刚性，或者采取措施减小摩擦系数.另外，此计算仅仅是滚珠丝杠等，其它还有齿轮上齿的变形，键联结的变形等。但计算可知，齿的变形较小，刚度较大，由变形式可知，其对应的刚度为，式中： 齿轮宽度；齿轮啮合角；对正圆柱齿轮为。当取时，其。而键联结的变形所对应的刚度较小，由式：可得，式中： 接触柔度，对平键，；键长度；键高度；键个数。对，可求出，可见影响很大。第五章 进给伺服系统设计5.1 直流伺服电机的参数本设计经过了直流伺服电机与交流伺服电机的比较,决定采用了直流伺服驱动。所采用的直流伺服电机输出功率1.4KW；零速额定转矩17.6N.m ；最大转矩153.9188.1N.m ；提高转速1500rpm；转子转动惯量0.0186Kg.m；重量30kg ;静摩擦为0.86N.m ；反电势常数为为0.57；转矩常数；理论角加速度为8100；电气时间常数；机械时间常数；热时间常数。计算电阻值,实测包括引线、接线端子和接触电阻约为，计算电感值 ,。5.2 检测装置的选择 伺服系统是机床的驱动部分，计算机输出的控制信息通过伺服系统和传动装置变成机床运动。位置检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分，其作用是检测位移和速度，发送反馈信号，并与数控装置发出的指令信号比较，若有偏差，则经过放大后控制执行部件向着消除偏差的方向运动，直至偏差为零。为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。不同的数控机床对检测元件和检测系统的精度要求、允许的最高移动速度都不相同。一般要求检测元件的分辨率在0.00010.1mm之间，测量精度为（0.0010.02）mmm。系统分辨率的提高，对机床加工精度有一定的影响，但不宜过小，分辨率的选取和脉冲当量的选择方法一样，按机床加工精度的1/101/3选取。 数控机床中常用位置检测装置见表5-1所示 对数控机床位置检测装置的基本要求是： (1)高可靠性和高抗干扰性。检测装置应能抗各种电磁干扰，基准尺对温、湿度敏感性低，温、湿度变化对测量精度影响小。(2)使用维护方便，适合机床运行环境。测量装置安装时要有一定的安装精度要求，安装精度要合理。由于受使用环境的影响，整个测量装置应该有较好的防尘、防油雾、防切屑等措施。(3)能够满足精度和速度的要求。 (4)易于实现高速的动态测量、处理和自动化。(5)成本低、寿命长。 表5-1 数控机床中常用的位置检测元器件类型数字式模拟式增量式绝对式增量式绝对式回转型增量式光电脉冲编码器、圆光栅绝对式光电脉冲编码器旋转变压器、圆形感应同步器、圆形磁尺多极旋转变压器、三速圆形感应同步器直线型计量光栅激光干涉仪多通道透射光栅直线型感应同步器、磁尺三速直线型感应同步器、绝对值式磁尺 参照表5-1经过分析比较,本设计采用增量式旋转编码器检测,达到半闭环的目的。 图51所示为增量式光电脉冲编码器的结构，它由电路板、圆光栅、指示光栅、轴、光敏元件、光源和连接法兰等组成。圆光栅是在一个圆盘的圆周上刻有相等间距的线纹，分为透明的和不透明的部分，圆光栅与工作轴一起旋转。与圆光栅相对平行地放置一个固定的扇形薄片，称为指示光栅，上面刻有相差14节距的两个狭缝和一个零位狭缝(一转发出一个脉冲)。光电脉冲编码器通过十字连接头或键与伺服电机相连。它的法兰固定在电机端面上，罩上防尘罩，即可构成一个完整的检测装置。当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹。光敏元件接收这些明暗相间的光信号，并转换为交替变化的电信号。该信号为两组近似于正弦波的电流信号A和B，A信号和B信号相位相差90，经过放大和整形变成方波，如图52所示。通过两个光栅的信号，还有一个“一转脉冲”(一转发出一个脉冲)，称为Z相 图51增量式光电脉冲编码器结构示意图脉冲，该脉冲也是通过上述处理得来的。Z相脉冲用来产生机床的基准点，该脉冲以差动形式Z和 (Z的反相)输出。从图52可看出，根据信号A和信号B的发生顺序，即可判断光电编码器轴的正反转。若A相超前于B相，则为正转；若B相超前于A相，则为反转。数控系统正是利用这一相位关系来判断方向的转速可由光电编码器发出的脉冲频率或周期进行测量。 图52光电脉冲编码器的输出波形第六章 数控微机系统设计根据已选定的直流伺服电动机与加工要求，所配数控装置应实现半闭环控制；提供模拟量控制信息，接收半闭环的反馈信号；要能控制三个坐标轴的运动，其中至少需要同时控制两轴联动，完成圆弧插补；为了在加工中可使用不同尺寸的刀具，数控装置应具有刀具的半径和长度补偿功能，以便数控加工中按轮廓编制程序而能适应刀具尺寸的变化。为了适应未来发展的需要，数控装置应具备通信接口。因此确定选用MTC-M铣床控制装置. MTC-M是三坐标2.5轴联动的铣床用多CPU数控装置。该装置除了有一般数控功能之外，还具有子程序和参数编程，特别是镜像功能，很适合具有对称轮廓工件的数控加工编程。此外，还具有示教、录反和用RS-232C通信的功能。该数控装置还可以控制主轴转速，但由于主轴所需调速范围较小，调速机会也不多，而且主轴电动机功率较大，如采用调速装置将会增加不少投资，所以改造中未采用数控装置调速，而仍保留原机床上的手动机械换档方式对主轴实行变速。由于本设计改造采用了现成的MTC-M数控装置，在选配时要考虑功能需求，与伺服单元的配接，其它的输入/出控制信号及控制能力。在配接时要考虑接口的数量及参数，必要时要设计信号变换电路。在设计参考点信号的电路时，采用了光电隔离：另外为了在接近开关及其电源、引线等发生故障时，能有一定的保护，设计了逻辑检测电路。此逻辑检测电路的作用是当发生元件损坏，断线或短路时发出信号，产生紧急停机的作用。对于微机系统，为了能用一般的8位微机芯片完成差补运算，而且还要监控键盘，对显示屏幕的不断刷新等。本系统采用了多CPU结构。多CPU结构是数控系统为了适应功能强、速度快、分辨率高而发展起来的很有生命力的结构型式。随着数控系统的性能不断提高，要求其CPU运算能力不断增强，目前常采用两种解决办法。一是高速多位CPU，例如32位甚至64位的CPU；另一种是时空分割的多CPU结构。而多CPU结构必然存在着CPU之间的数据交换问题。本数控装置采用三个CPU，分别是中央CPU，显示和键盘管理CPU以及插补和输入/出CPU。中央CPU起主要控制作用，负责数控程序的编辑，数控程序段的译码预处理，刀具半径补偿的计算，机器和刀具参数编辑，诊断处理，键信号监控处理等，并且要协助另两个CPU的同步工作。显示CPU主要功能是按照中央CPU送来的显示命令和显示内容，组成相应的显示页面，负责产生CRT显示器所需要的视频扫描信号，控制显示器按规定的显示方式显示有关信息。此外，扫描键盘，将接收的键盘和开关信号经译码送给中央CPU进行相应处理。插补CPU主要进行插补运算，发生伺服驱动器所需要的控制信号，接收测量反馈信号，实现速度和位置控制。此外，对输入/出信号进行控制，并完成RS232C通讯功能。插补CPU接收中央CPU送来的程序段信息和其它命令，并返回插补完成情况及出错信号。为了完成信息交换，中央CPU与显示CPU之间，中央CPU