基于MJ-50数控车床进行数控旋压机的改造

开 题 报 告课题 ：基于 MJ-50 数控车床进行数控旋压机的改造20 世纪 60 年代初，为了解决某些产品成形问题，部分军工部门（例如航空部）开始应用旋压技术加工诸如飞机副油箱、发动机燃烧室等产品，开始采用自制的非常简单的旋压设备来加工成形制品。这些设备大多为机械、手动和简单液压装置。这是国内自制的旋压机初型。进入 21 世纪，大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且多数以上是役龄在 10 年以上的旧机床，生产装备和技术陈旧而落后。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场，军品和民品市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高旋压机的数控化率。本文以数控车床为基础来进行数控旋压机的改造，进一步对旋压机的系统结构进行了解，并提高自己的动手思考能力和如何在遇到难题时调动自己的知识储备来分析解决难题。指导教师评语：指导教师签名： 年 月 日目录第一章 概论4 第二章 MJ-50 数控车床简介 第一节 MJ-50 数控车床概述8第二节 MJ-50 数控车床的加工范围及特点11 第三节 MJ-50 数控车床的传动系统及主轴箱结构12 第四节 MJ-50 数控车床的进给传动系统及传动装置15第三章 总体改造方案18 第四章 改造的实施 第一节 主轴脉冲编码器的运用20 第二节 滚珠丝杠副的设计及选型21 第三节 旋轮头的设计26 第四节 旋轮座的设计28 第五节 旋压机主轴装置设计与驱动功率计算31 第五章 改造效果35 致谢与心得36 参考文献37第一章 概论1. 国产旋压机床的回顾20 世纪 60 年代初，为了解决某些产品成形问题，部分军工部门（例如航空部）开始应用旋压技术加工诸如飞机副油箱、发动机燃烧室等产品，开始采用自制的非常简单的旋压设备来加工成形制品。这些设备大多为机械、手动和简单液压装置。这是国内自制的旋压机初型。70 年代初，冶金部门为了满足国内军工、化工等部门对大型、高精度薄壁管件以及异型件（锥形件、封头、曲母形件等）的需求，开始研制大型的卧式、立式旋压机床。随后，机械部、兵总、航天、航空等部门先后研制了多台中、小型筒形件和异形件的旋压机床。这些设备绝大部分为简单的机械或液压仿形旋压机床。由于受当时国内机械制造业水平所限，机床性能较低。表现在可靠性差， 机床故障多；液压等系统的原器件（泵、阀、密封件）质量不过关，各种机床普遍存在着跑冒滴漏现象；由于电子工业发展滞后，机床的操作系统落后，使旋压工艺不连贯，旋压制品质量低下；加之研制机床的技术人员对工艺不熟，设计的机床有功能不完善的缺陷。针对 80 年代旋压机床在实际使用过程中暴露的问题，在 1987 年于桂林召开的“第四届旋压技术交流会”上，笔者再三强调，旋压机床的发展和进步是制约国内旋压技术发展的关键，要想赶上世界旋压技术发展水平，必须下大力气解决国内设备研制问题。这个问题一直讲了 3 届年会，即 10 年时间。80 年代后期至 90 年代末，随着国内各领域经济的发展，各部门陆续引进多台进口旋压机床，大多为德国、西班牙、俄罗斯、美国等国家制造。通过对引进旋压设备的使用、 消化、吸收，各单位反映进口机床的优势为：设备系列化，使用性能相对稳定可靠；机床制造装配的专业化程度较高；控制系统为计算机，操作方便；液压系统稳定不漏油；工艺成熟并能与机床设计相结合。看到了国内外设备对比后的差距，国内的专家们有了比、学、赶的目标。此后，全国旋压学会于 1993 年第六届年会、1996 年第七届年会、1999 年第八届年会上，先后推出了几台设计思想很好旋压机床。在这 10 余年中，国内几家从事旋压机床研制的企业和院所，例如北京航空航天大学现代所、航空工艺研究所、长春五五所、福州机械研究院、哈尔滨工业大学等单位先后设计制造了多台水平较高的旋压机床，不仅满足了国内的需求，还出口到南亚、东南亚和香港等国家和地区。2. 国内旋压设备的水平进入 21 世纪，纵观国内各机床企业、各研究院所以及其它企业开发、研制的各种用途用旋压机，总体看较 80 年代制造的设备有了长足的进步，表现为以下几方面。2.1 旋压机的设计设计思想上明确，特点突出，专业性较强。例如北京航空航天大学生产的数控带轮旋压机，哈尔滨工业大学等单位生产的封头旋压机，航空工艺研究所生产的气瓶热收口旋压机，兵器总公司长春五五所生产的轮辐旋压机等。这些旋压机使用过程中的共同特点是实用性较好，按照产品旋压过程的特点，吸取了国外设备先进设计思想，又结合了企业的生产条件，因此得到国内厂家的好评。2.2 旋压机的控制系统一台高水平的旋压机床，其控制系统均采用了计算机数控装置，这一特点在几年前是国内制造的设备与进口设备重要差距之一。一台数控旋压机床不仅可以减轻工作人员的劳动强度，在提高旋压产品的生产效率和成品率等方面起到关键性的作用，而且对于一些高精度技术要求和形状复杂的旋压产品，数控旋压机更有其特殊的作用。近年来，一些发达国家针对旋压机液压驱动与数控加工机床电机驱动二者区别，开发了专为电液伺服驱动的液压模块，设有多项可调参数，如 PID 前馈控制、死区补偿、摩擦力、非线性补偿等。这些参数显示在人机界面上，可通过键盘方便地进行设置和修改，与所选用的伺服阀和油缸相匹配，比较容易达到动-静特性的要求，克服了旋压机由于液压驱动带来的系统刚性差、电液控制阀非线性、液压元件响应频率低等缺陷，满足旋压产品加工的要求。这些控制系统技术已被国内多数机床设计单位掌握和使用。近年来国内的一些旋压机床， 控制系统内装 PLC，通过分布式输入输出设备，实现开关量的采集和控制。系统的操作采用友好的人机界面，应用超薄的 TFT 彩色监视器，所有的机床参数、实时信息、报警文本等都可以显示。字母、数字、功能键可用于编程及设置。加工程序、子程序、零点偏置等通过操作面板上的按键输入，操作支持则通过软件及菜单实现。位置检测采用光栅尺和编码器，分辨率达到了 0.001mm。控制系统持续不断地对 NC、接口控制器和机床的故障进行监控。当故障发生时首先中断加工过程，停止驱动，故障原因通过报警信息显示出来，排除故障后方可运行。在采用全闭环和半闭环位置控制和速度控制的前提下，采取提高检测的分辨率以及调节放大器 PID 参数的方法，在保证系统稳定的条件下，提高系统的控制精度。2.3 旋压机的结构设计国内旋压机的结构设计着重考虑了旋压变形过程中力能参数的大小和变化规律， 采用有限元分析的方法科学地设计机床结构，以保证机床具有足够的系统刚度， 从而提高了机床稳定性和机床的加工精度，特别是核心部件上更是如此。(1) 旋轮座拖板。为了提高其刚度，增加稳定性，减小导轨比压，在可能的情况下适当加长了总接触长度，可获得较大的安全系数。为了防止拖板爬行导轨面可采取贴塑措施，并配以良好的润滑。（2）尾顶系统。设计时尽量考虑在旋压过程中减小或不承受倾倒力矩。导轨底面可采用镶铜合金技术，通过改变摩擦副，能有效地防止导轨面拉伤，减小磨损， 提高使用寿命。（3）床身。床身均采用整体铸造，导轨采用整体镶钢结构，导轨用螺钉与床身连接，安装后整体磨削，表面调质处理，有较高的耐磨性，直线度达到了0.02mm/m0.03mm/m 全长。（5）旋轮安装。旋轮与轴之间的配合，也采用了特殊的装置，既保证了旋轮安装后使用时能承受较大扭矩，也可减少旋轮退让量，有的设计者在旋轮前部增加一个辅助支承，该装置可有效地减少旋轮前轴承的负荷。（6） 润滑、冷却系统。20 世纪 80 年代末，国内设计制造的旋压机床，对这两方面的技术要求都给予了充分的注意和完善的技术处理。旋压机床在加工过程中，各部分受力轴承能得到充分的润滑；旋压件在变形过程中，也能得到很好的冷却，以便及时带走旋压制品塑性变形过程中产生的热量，保证旋压生产的连续进行和旋压制品的精度要求。3. 国内旋压机床的精度20 世纪 90 年代末至今，经对多家企业设计制造的旋压机床检测结果的统计，我国的旋压机床已达到较高的精度指标。横向定位精度 0.0120.015mm；重复定位精度 0.080.010mm；纵向定位精度 0.0120.015mm；重复定位精度 0.0060.008mm；主轴的纵向跳动 0.010mm ，主轴端面跳动 0.01.mm。总之，经过几十年的努力，国内旋压机床的设计、加工制造、安装调试等总体水平已经达到了国外旋压技术较发达的国家 20 世纪 90 年代的先进水平，完全有能力用国产的旋压设备装备国内企业需求的旋压机床。4. 旋压设备发展趋势我国加入 WTO 后，国外各企业纷纷到国内寻找商机，将中国视为他们的加工基地和零部件供应的合作者，加上国内积极扩大需求，因此旋压产品近两年呈现一片繁荣景象。根据市场需求，笔者建议从以下几方面着手开展对旋压设备进行研发工作。军工产品用旋压设备需求仍然旺盛由于军工产品的特殊需要，国内仍然需要一批高精度数控旋压机床以满足军工产品不断增长的需求。特别是高精度筒形件旋压机床，应该能够加工大口径、薄壁筒形件。这样的机床可用来加工各种口径的弹体、火箭弹燃烧室、回转加速器转筒、电机屏蔽套管等产品。近两年来，军工企业进口十余台强力旋压机，有的质量并不理想，但价格是国内生产的同类机床的 1.54 倍，且售后服务存在较大的困难。随着我国军工产品继续发展，一些大口径（大于800mm）的高精度、 薄壁管件需求日旺，如果仅仅依靠进口，将会受到国外发达国家的限制。笔者建议，国内有实力的大机床公司属下的研发单位应为我国的军工产业的发展做出贡献，设计制造出我国自己的高水平旋压机床。专用的旋压机床需求量大国内经济高速发展，各种行业的零部件加工需求非常迫切。以汽车用旋压带轮为例，近年来每年增加设备 20 余台，带轮产品数百万件，仍然供不应求，也有大量国外的订单。此外，风机翻边专业机床、封头专用机、灯具专用机等都需求旺盛。多功能旋压机床的应用一种形如切削加工中心的旋压机床也是目前企业所需求的。与其他旋压机床相比其旋轮座不是一个旋轮，而是多个旋轮，也可称为是一个工具库（旋轮库）。在这台机床上可对工件进行旋薄、翻边、收口、搭接、缩颈、整形等多项成形。这些变形过程在计算机的控制和操作下，调动了不同用途的旋轮在短时间内可成形一个形状非常复杂的零件。节约了工时和原材料，由于是一次装卡，也可成形一个高精度产品。5. 旋压机床数控改造的必要性我国旋压机总量几百台，而其中数控机床非常少。大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且多数以上是役龄在 10 年以上的旧机床，生产装备和技术陈旧而落后。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场，军品和民品市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高旋压机的数控化率。改造成的数控旋压机投入使用后，系统操作灵活，使用方便，加工功能增强，适合于较为复杂型面工件的加工，提高了生产效率，保证了加工精度。第一章 MJ-50 数控车床简介MJ-50 数控车床配有或等数控系统，可完成零件内外圆柱面、圆锥面、螺纹表面、成形回转体表面等的加工，对于盘类零件能进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔等加工。机床还可以完成车端面、切槽、倒角等加工。在加工时，通过主轴和刀架运动的相互配合来完成对工件的车削加工。其加工的尺寸精度可以打到 IT5IT6，加工的表面粗糙度可以达到 Ra1.6um 一下。由于数控车床具有加工灵活、通用性强、能适应产品的品种和规格频繁变化的特点，能够满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求，因此被广泛应用于机械制造业，例如汽车制造厂、发动机制造厂等。第一节 MJ-50 数控车床的组成和主要技术参数1机床的组成图 1 MJ-50 数控车床外观图图 1 中，床身 14 为平床身，床身导轨面上承着 30倾斜布置的滑板 13，排屑方便。导轨的横截面为矩形，支撑刚性好，且导轨上配置有导轨防护罩 8.床身的左上方安装有主轴箱 4，主轴由电动机经 1：1 带传动直接驱动主轴，结构十分简单。为了快速而省力地装夹工件，主轴卡盘 3 的夹紧与松开是由主轴尾端的液压缸来控制的。床身右上方安装有尾座 12.该机床有两种可配置的尾座，一种是标准尾座，另一种是液压尾座。滑板的倾斜导轨上安装有回转刀架 11，其刀盘上有 10 个工位，最多安装10 把刀具。滑板上分别安装有 X 轴和 Z 轴的进给传动装置。根据用户的需要，主轴箱前端面上可以安装对刀仪 2，用于机床的机内对刀。检测刀具时，对刀仪转臂 9 摆出，其上端的接触式传感器测头对所用刀具进行检测。检测完成后，对刀仪转臂摆回图 1 所示的原位，且测头被锁在对刀仪防护罩 7 中。10 是操作面板，5 是机床防护门，可以配置手动防护门，也可以配置气动防护门。液压系统的压力由压力表 6 显示。1 是主轴卡盘夹紧与松开的脚踏开关。2机床的主要技术参数允许最大工件回转直径 500mm最大切削直径 310mm最大切削长度 650mm主轴转速范围 35-3500r/min（连续无级）其中恒扭矩范围 35-437 r/min其中恒功率范围 437-3500 r/min主轴通孔直径 80mm拉管通孔直径 65mm刀架有效行程 X 轴 182mm；Z 轴 675mm快速移动速度 X 轴 10 m/min；Z 轴 15 m/min安装刀具数 10 把刀具规格 车刀 25mmX25mm；镗刀杆 12mm-45mm选刀方式 刀盘就近转位分度时间 单步 0.8s；1802.2s尾座套筒直径 90mm尾座套筒行程 130mm主轴调速电动机功率 11/15kW（连续/30min 超载）进给伺服电动机功率 X 轴 0.9kW（交流）；Z 轴 1.8kW（交流）机床外形尺寸（长 X 宽 X 高） 2995mmX1667mmX1769mm3. 数控系统的主要技术参数FANUC-0TE 系统的主要技术规格见表第二节 MJ-50 车床的加工范围及特点1加工范围MJ-50 车床的工艺范围很广，它能完成车削内外圆柱面、圆锥面、车削端面、各种螺纹、成形回转面和环形槽等多种多样的加工工序。也可以进行钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹、套螺纹和滚花等工作。特别适应于加工形状复杂的轴类或盘类零件。其典型表如图 1 所示。MJ-50 车床主运动由工件随主轴旋转来实现，而进给运动由刀架的横向动来完成。由于机械产品中回转表面的零件很多。车床的工艺范围又较广泛，因此 MJ-50 车床使用十分广泛。图 2 车床加工的典型零件2MJ-50 车床的加工特点1）加工范围较大。 2）加工时，主运动是工件和旋转运动，进给运动是刀具的纵向和横向移动。3）正常情况下，在车削加工过程中，切削力比较稳定，加工比较平稳。4）在车削加工过程中切屑和刀具之间的剧烈挤压和摩擦，以及刀具与工件之间的摩擦，产生了大量的切削热，但大部分热量被切屑带走，所以 MJ-50 车床在加工过程中一般可以不使用切削液。第三节 MJ-50 数控车床的主传动系统及主轴箱结构1、主运动传动系统图 3 MJ-50 数控车床的传动系统图MJ-50 数控车床的传动系统如图 3 所示。其中住运动传动系统由功率为11KW 的主轴调速电动机驱动，经一级 1：1 的带传动带动主轴旋转，使主轴在35-3500r/min 的转速范围内实现无级调速，主轴向内部省去了齿轮传动变速机构，因此减少了齿轮传动对主轴精度的影响，并且维修方便。2.主轴箱结构（1）主轴箱结构MJ-50 数控车床主轴箱结构如图 4 所示。主轴电动机通过带轮 15 将运动传给主轴 7。主轴有前后两个支承，前支承由一个圆锥孔双列圆柱滚子轴承 11 和一对角接触球轴承 10 组成，轴承 11 用来承受径向载荷，两个角接触球轴承，用来承受双向的轴向载荷和径向载荷。前支承的间隙用螺母 8 来调整，螺钉 12用来防止螺母 8 回松。主轴的后支承为圆锥孔双列圆柱滚子轴承 14，轴承间隙由螺母 1 和 6 来调整。螺钉 17 和 13 是分别用来防止螺母 1 和 6 回松的。主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长。前后支承所用圆锥孔双列圆柱滚子轴承的支承的支承刚性好，允许的极限转速高。前支承中的角接触球轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高。主轴所采用的支承结构适应高速大载荷的需要。主轴的运动经过同步带轮 16 和 3 一级同步带 2 带动脉冲编码器 4，使其与主轴同速运转。脉冲编码器 4 用螺钉 5 固定在主轴箱体 9 上。图 4 MJ-50 数控车床主轴箱结构简图（2）液压卡盘结构如图 5(a)所示，液压卡盘固定安装在主轴前端，回转液压缸 1 与接套 5 用螺钉 7 连接，接套通过螺钉与主轴后断面连接，使回转液压缸随主轴一起转动。卡盘的夹紧与松开由回转液压缸通过一根空心拉杆 2 来驱动，拉杆后端与液压缸内的活塞 6 用螺纹连接，连接套 3 的两端螺纹分别与拉杆 2 和滑套 4 连接。图 4（b）为卡盘内楔形机构示意图，当液压缸内的压力油推动活塞和拉杆向卡盘方向移动时，滑套 4 向右移动，由于滑套上楔形槽的作用，使得卡爪座 11 带着卡爪 12 沿径向向外移动，则卡盘松开。反之液压缸内的压力油推动活塞和拉杆想主轴后端移动时，通过楔形机构，使卡盘夹紧工件。卡盘体 9 用螺钉 10 固定安装在主轴前端。8 为回转液压缸箱体。图 5 液压卡盘结构简图第四节 MJ-50 数控车床的进给传动系统及传动装置1、进给传动系统如图 3 所示，MJ-50 数控车床的进给传动系统分为 X 轴进给传动和 Z 轴进给传动。X 轴进给由功率为 0.9KW 的交流伺服电动机驱动，经 20/24 的同步带轮传动到滚珠丝杠上螺母带动回转刀架移动，滚珠丝杠螺距为 6mm。Z 轴进给也是由交流伺服电动机驱动，经 24/30 的同步带轮传动到滚珠丝杠，其上螺母带动滑板移动。该滚珠丝杠螺距为 10mm，电动机功率为 1.8KW。2、进给系统传动装置图 6 是 MJ-50 数控车床 X 轴进给装置的结构简图。如图 6（a）所示，AC 伺服电动机 15 经同步带轮 14 和 10 以及同步带 12 带动滚珠丝杠 6 回转，其上螺母 7 带动（图 6（b）所示）刀架 21 沿滑板 1 的导轨移动，实现 X 轴的进给运动。电动机轴与同步带轮 14 用键 13 连接。滚珠丝杠有前后两个支承。前支承3 由三个角接触球轴承组成其中一个轴承大口向前，两个轴承大口向后，承受双向载荷。前支承的轴承由螺母 2 进行预紧。其后支承为一对角接触球轴承9，轴承大口相背放置，由螺母 11 进行预紧。这种丝杠两端固定的支承形式，其结构和工艺都较复杂，但是可以保证和提高丝杆的轴向刚度。脉冲编码器 16安装在伺服电动机的尾部。图 6 中 5 和 8 是缓冲块，在出现意外碰撞时起保护作用。A-A 剖面图表示滚珠丝杠前支承的轴承座 4 用螺钉 20 固定在滑板上。滑板导轨如 B-B 剖面图所示为矩形导轨，镶条 17、18、19 用来调整刀架与滑板导轨的间隙。图 6（b）中 22 为导轨护板，26、27 为机床参考点限位开关和撞块。镶条23、24、25 用于调整滑板与床身导轨的间隙。因为换班顶面导轨与水平面倾斜 30，回转刀架的自身重力使其下滑，滚珠丝杠和螺母不能以自锁阻止下滑，故机床依靠 AC 伺服电动机的电磁制动来实现自锁。图 6 MJ-50 数控车床 X 轴进给传动装置的结构简图3、Z 轴进给传动装置图 7 是 MJ50 数控车床 Z 轴进给传动装置简图。如图 7（a ）所示 AC 伺服电动机 14 经同步带轮 12 和 2 以及同步带 11 传动到滚珠丝杠 5，由螺母 4 带动滑板连同刀架沿床身 13 的矩形导轨移动（见图 7b） 。实现 Z 轴的进给传动。如图 7（b）所示电动机轴与同步带轮 12 之间用锥环无键联接，局部放大视图中 19 和 20 是锥面相互配合的内外锥环，当拧紧螺钉 17 时，法兰 18 的端面压迫外锥环 20，使其向外膨胀，内锥环 19 受力后向电动机轴收缩，从而使电动机与同步带轮连接在一起。这种连接方式无需在被连接件上开槽，而且两锥环的内外圆锥面紧压后，使连接配合面无间隙，对中性较好。选用锥环对数的多少，取决于所传递扭矩的大小。滚珠丝杠的左支承由三个角接触球轴承 15 组成，其中右边两个轴承与左边一个轴承的大口相对布置，由调整螺母 16 进行预紧。如图 7（a）所示，滚珠丝杠的右轴承？为一个圆柱滚子轴承，只用于承受径向载荷，轴承间隙用调整螺母 8 来调整。滚珠丝杠的支承形式为左端固定，右端浮动，留有丝杠受热膨胀后轴向伸长的余地。3 和 6 为缓冲挡块，起超程保护作用。B 向视图中的螺钉 10 将滚珠丝杠的右支承座 9 固定在床身 13 上。如图 7（b）所示，Z 轴进给装置的脉冲编码器 1 与滚珠丝杠 5 相连接，直接检测丝杠的回转角度，从而提高系统对 Z 向进给的精度控制。图 7 MJ-50 数控车床 Z 轴进给传动装置简图第三章 改造的总体方案一、改造的内容（1）旋压机纵横方向走刀量的控制；（2）对其不满足生产要求的 CNC 系统以最新 CNC 进行更新；（ 3）结合加工工艺要求进行重要元件的更换；（4）对机械部分重要部位进行替换。二、改造的基本原则确定具体改造方案的基本原则是：在满足使用要求的前提下对机床的改动尽可能少，以降低成本、增强抗干扰性。三、改造的总体方案结合生产实际，依据工艺要求和被改机床的完好程度，可采用不同的改造方案。1、机械改造改造成的数控旋压机，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床改造时应尽量达到上述要求。还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。（1）滑动导轨副对数控旋压机来说，导轨除应具有普通旋压机导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。（2）滚珠丝杠丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在 90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。2、主轴驱动改造选型根据旋压工艺的要求，主轴一般都设计成无级调速。对于交流主轴电机，采用变频调速控制。如西门子 6SE70 矢量控制三相交流电压源型变频调速系统，其调速和起制动性能好，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。对于直流主轴电机，如采用西门子 6RA70 全数字直流调速装置代替原有的调速系统。6RA70 是三相交流电源直接供电的全数字控制装置，体积小、结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电完成调速任务。这一装置的优点在于：本身带有参数设定单元，不需要其它的任何附加设备即可完成参数的设定，并且所有的控制、调节、监视及附加功能都由微处理器来实现。3、数控及进给驱动系统当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外闻名公司的如德国 SIEMENS公司、法国 NUM 公司、日本 FANUC 公司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求等具体情况进行选择（1）交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环控制系统半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。比如西门子的 1FT5、1FT6 交流伺服电机，稳定可靠，伺服性能好。（2）异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环控制系统该系统与开环系统的区别是：由光栅等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，驱动功率更大的特性指标。（3）伺服阀/伺服油缸，光栅测量反馈的闭环控制系统在行程较短，旋压力要求大的场合，由伺服阀，伺服油缸组成的闭环控制系统是一个很好的选择。四、进给系统改造的要求具有较高的定位精度、有良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应要好、稳定性要好，为了确保数控机床进给的传动精度和工作稳定性。要求进给系统达到无间隙、低惯量、高刚度和高谐频率以及适应的阻尼等。第四章 改造的实施第一节 主轴脉冲编码器的运用一、主轴脉冲编码器的概述脉冲编码器又称脉冲发生器，它是一种直接用数字代码表示角位移及线位移的检测器。能把机械转角转变成电脉冲，是数控机床上使用广泛的位置控制装置。脉冲编码器控制方式的特点：1）控制方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小。2）由于光电交换器性能的提高，可得到较快的响应速度。3）由于照像腐蚀技术的提高，可以制造高分辨率、高精度的光电盘，母盘制作后，复制很方便，且成本底。4）抗污染能力差，容易损坏。二、加工过程中编码器的作用虽然主轴的转速由机械控制，但在车螺纹加工中必须知道主轴转速，根据主轴计算进给速度。必须在主轴上安装光电编码器，光电编码器通常与主轴直接联结（传动比 1：1） ，为保证切削螺纹的螺距准确，要求主轴转一周工作台移动一个导程，必须有固定的起刀点的退刀点。安装在轴上的光电编码器在切削螺纹时就可解决主轴旋转与坐标轴进给的同步控制。保证主轴每转一周，刀具准确地移动一个导程。此外，螺纹加工要经过几次切削才能完成，每次重复切削时，开始进刀的位置必须相同。为了重复切削不乱牙，数控系统在接收到光电编码器的一转脉冲才开始螺纹切削的计算。其传动路线是：主轴齿轮副脉冲编码器数控装置步进电动机纵、横向进给。三、编码器的选择根据加工精度的要求，选择了长春第一光学仪器厂 leelf 型编码器（每转脉冲数为 1200 个） 。第二节 滚珠丝杠副的设计及选型1、滚珠丝杠副的工作原理及特点 在数控机床进给系统中一般采用滚珠丝杠副来改善摩擦特性。滚珠丝杠副是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间元件的丝杠副，其结构原理如图 8 所示。为防止滚珠在工作过程中从螺母两端掉出，在螺母的螺纹滚道 4 上装有挡滚珠器 2（又叫回珠器或反向器） 。回路管道 5 将滚珠 3 引回，构成滚珠连续工作的循环通道。图 8 滚珠丝杠副1-压块 2-挡珠器 3-滚珠 4-螺纹滚道 5-回路管道 6-螺母 7-丝杠（1） 、滚珠丝杠副具有如下优点：传动效率高 滚珠摩擦的摩擦损失小，传动效率 =0.92 0.94，是普通滑动丝杠的 34 倍（=0.20 0.40） 。摩擦力小 因静、动摩擦因数小，因而传动灵敏、运动平稳、低速不易爬行、随动精度和定位精度高。可预紧 经预紧后可消除轴向间隙。有助于定位精度和刚度提高，既使反向也没有空行程，反向定位精度高，且传动平稳。有可逆性 因摩擦因数小，所以不仅可将旋转成直线运动，也可将直线运动转换为旋转运动，丝杠可螺母既可作为主动件，也可作为从动件。使用寿命长 滚珠丝杠副采用优质合金钢制成，去滚道表面淬火硬度达60-60HRC，表面粗糙度值小，而且是滚动摩擦，故磨损很小、使用寿命长。因为滚珠丝杠副具有这些优点，所以进给系统我选择滚珠丝杠副（2） 、 滚珠丝杠副的缺点是：制造工艺复杂，成本高 滚珠丝杠、螺母、反向器等零件的加工精度和表面粗糙要求高，故制造成本高。如丝杠螺母上的螺旋槽滚道一般都要求削成形表面，工艺复杂。不能实现自锁 由于起摩擦因数小而不能自锁，特别是垂直（立式）丝杠，由于自重和惯性或因突然停断电而容易造成主轴箱等下滑，所以需要添加制动装置。2、滚珠丝杠副的循环方式 常用的循环方式有外循环和内循环两大类，滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环：始终与丝杠保持接触的称为内循环。3、滚珠丝杠的安装 为提高传动刚度，选择合理的支承结构并正确安装很重要。滚珠丝杠主要承受向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重，因此滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高。在安装时，应注意调整丝杠间隙，可用百分表测出具体的间隙所在。珠丝杠副的选用 滚珠丝杠副的选择主要是工件负载必小于滚珠丝杠的额定动负载 Cm(N)即必须满足 CCm。4、滚珠丝杠的承载能力的计算选择纵向进给为综合导轨，计算丝杠的最大轴向进给切削里 Fm又因为 Fm=KFf+f(Fc+w)式中 Ff、Fp 、Fc切削分力（N）K颠覆里矩影响取 K=1.15F导轨上的摩擦因数取 f=0.16W移动部件的重量（N）代入式中：Fm=kFf+f(fc+w)=1.151684.8+0.16(2808+800)=2514.8Na、寿命 L 最大切削里 F 的进给速度 Vs 可取最高进给速度的 1/21/5（取为 1/2） ，纵向最大进给速度为 0.6m/min,丝杠导程 Lo=6mm，则丝杠转速为：n= 01.6/min0.5/insVr丝杠使用寿命时间一般为 15000h，则丝杠的计算寿命 L 为 L=66605/min4(10)1nTrrb、载荷 Cm 当量动载荷 Cm 选用滚珠丝杠直径 do 时，必须保证丝杠工作时，在一定的轴向载荷作用下，丝杠在运转 10 转后，在它的滚珠上下产生疲劳点浊现象。这个轴向负载的最大值 Cm，即为滚珠丝杠杆副所能承受的最大当量动载荷 Cm 3MwmaLFfC式中： 运转系数wf精度系数af = =14908.11N3MwmaLFfC3451.24.809根据 CCm 的原则，查 机械设计手册化学出版社出版，第三章第 3卷， （P12-21）选取滚轴丝杆的型号为：CMD4006-2.5E 左，坐标直径为40mm，即外循环，齿差调隙式，一圈 2.5 列。滚珠直径为 39.69mm，导程为6mm，摩擦级选用 5 级，螺纹升角 r=arctag（L / d ）=arctg（6mm/ 40）0=arctg0.047= .024C、传动功率 滚轴丝杆副的传动功率为： =tgr/tg（r+ ）=0.940241gt式中：r丝杠的螺纹升角摩擦角。滚动丝杆副的滚动摩擦因数 f=0.003，摩擦角约等于 10所以 =10d、稳定性验算临界压缩载荷，对于受压的细长的滚轴丝杆，应验算其承受最大轴向压缩载荷 Fmax 时是否会产生纵向弯曲。 21maxwdfEIFlf式中 E丝杆材料弹性量，对纲 E=2.0610 N/m12L丝杠两支承端距离（m） ，L=1.5m;f 丝杠的支承方式系数，f =2.001 1f 许用稳定性安全系数，f =3wd wdI丝杠截面惯性矩（m ）I= = =0.001m441643.04d 丝杠螺纹底径（m） ，d =d -1.02d =40-1.023.969=36.02mm.1 0w = =2256.75N21axwdfEIFlf21.653e、刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动平稳性，因此验算满载时候的轴向变形量。（1） 、丝杠的拉伸或压缩变形量 。 在总变形量中占的比重教大10lL式中 -滚珠丝杠支撑间的受力长度(mm)l-滚珠丝杠的导程 (mm)0-在工作载荷作用引起的导程变化量(mm)l又00mFLlEA式中 -轴向平衡载荷-材料弹性模量 钢= 52.061(/)Nm-滚珠丝杠横截面积 A= =24d2236.018.5m= =00mFLlEA65.821.4.79mm4 201.7901.0l“+”号用于拉伸。由于两端均采用角接触球轴承且丝杠又进行了预紧，故其拉压刚度端固定的丝杠提高四倍。其实际变形为 。21.7910.44m（2） 、滚珠与螺纹接触变形量 ，此项变形占总变形量的比重也教大，当2对丝杠加有预紧力且预紧力为轴向最大载荷的 1/3 时，之值可减少一半，又 2230.1mwyFdZ式中 轴向工作载荷（N）m预紧力yF滚珠直径wd滚珠数量其为圈数 K 列数 Z 每圈螺纹滚道内的滚珠数Z外循环 Z=03wd -滚珠丝杠公称直径0= 2231.mwyFdZ 232514.8.8490.183760.96()3.96据上所诉，实际变形量为: =0.0092（3） 、支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3支撑滚珠丝杠的轴承为 8107 型推力轴承，几何参数 d =35mm，滚球直径1滚动体数量 =18 轴承的轴向接触变形 为：6.5QdmQZ3mm22333 514.80.40.0.60.75166mFmd因施加预紧力，故实际变形量mm31.751.82注意 单位为 kmFg总变形量 = + + =0.0044+0041+0.003758=0.012258123又有前面已知条件可得：0.012258mm0.015mm 的定位精度。符合要求。第三节 旋轮头的设计一、旋压力的计算旋压力指毛坯对旋轮的接触反力。机床作用力则应加上具体操纵机构的摩擦力和损耗，通常可达旋压力的 100-150。旋压力是选择旋压成形设备的依据，也是影响旋压件成形质量的重要工艺参数之一。所设计的旋压机床主要用于加工口部直径达 600 mm、高度为 700mm 的大型杯形件。杯形件材料为防锈铝 LF21，底部厚度 为 6 mm、壁厚 t 为 3 mm，如图 9 所示。所使用的毛坯直径达 1200 mm，厚度为 6 mm。因该杯形件底部与壁部厚度不一样，现为其成形制定了两条工艺路线：(1)先采用锥形件剪切旋压其壁部减薄，锥角为 30，再采用普通旋压使其成形；(2)先采用普通旋压毛坯变成筒型，再用流动旋压使其壁部减薄。图 9 杯形件简图与变薄旋压相比，普通旋压所需的旋压力较小。现计算剪切旋压和流动旋压所需的旋压力，以此来设计旋压设备。1、剪切旋压力计算据工程计算法，简化后切向分力与三向投影面积之间的关系如下：切向分力：轴向分力 和径向分力 根据轴向、径向和切向三向投影面积的比例求出，即： ，其中，。根据几何关系可得到三向投影接触面积的公式：切向接触面积： ；径向接触面积： ；轴向接触面积：式中：f 为旋轮进给比 ； 为坯料壁厚(mm)； 为真实应力(MPa)； 为旋轮圆角半径(mm)； 为芯模半锥角 ()； 为变形区工件半径(mm)， ，其中， 和 分别为工件变形前后半径； 为变形区在工件截面内的夹角(rad)。根据以上式子代人工件的各个参数： =15mm，f=1 mm ， =30，=600 mm， =500 MPa， =6mm， =0.08 rad，得三向投影接触面积为： 求解三向旋压分力得：2、流动旋压力计算杯形件流动旋压的应力和变形状态较复杂，流动旋压力计算繁琐。根据工程实用要求，可简化计算。旋压力的计算依据三向投影接触面积，每个旋轮的三向旋压分力 R，R，R的计算公式如下：式中：m 为旋轮的个数； 为材料平均应力(MPa)； 为旋轮直径(mm)；为旋轮工作角()。已知： =6mm，f=1mm ， =245mm， =25， =200 MPa，m =1。求解三向旋压分力得： 。根据上述计算结果，考虑到具体操纵机构的摩擦力和损耗通常可达旋压力的 100150和不同工艺参数对旋压力的影响，将旋轮座的进给力设计为：纵向进给力为 60 kN，径向进给力为 60 kN。二、旋轮头结构形式与轴承配置考虑避免发生干涉，采用单支架悬臂梁支承结构，通过加大轴承尺寸系列来提高其承载能力，内部采用常用的旋轮与转轴组装在一起的结构。由于所设计的旋轮座，其径向和纵向旋压力均达到 60 kN，属于中型旋压机床，故此将承受径向力和轴向力的轴承分开来考虑，轴向旋压力由推力轴承承受，径向力由向心轴承承受，轴承配置如图 10 所示图 10 旋轮头结构在旋轮轴两端分别配置圆锥滚子轴承与圆柱滚子轴承，其中：圆柱滚子轴承用于承受径向载荷；圆锥滚子轴承则能承受较大的径向负荷和单向的轴向负荷，其承受的轴向载荷主要是旋轮反旋时的轴向旋压力。在旋轮轴中间配置单向推力球轴承，用于承受旋轮正旋时的轴向旋压力。第四节 旋轮座的设计1、旋轮座的基本结构旋轮座是用来安装旋轮头并使旋轮按照工艺过程的要求实现工作进给和快速行程，即完成旋压成形的基本运动循环的部件，对旋压机的应用范围、加工精度、生产率和使用的方便程度等都有直接的影响。为此，旋轮座应满足以下的要求：(1)满足旋压工艺过程所提出的要求；(2)要求旋轮在旋轮座上相应的装夹部位能牢固安装，并且比较方便，有时还要求在安装时可以精确调整其位置；(3)旋轮座的整个部件应具有足够的刚度，保证必要的加工精度和避免产生振动现象；(4)运动精度应该高；(5)要求操作方便和安全。旋轮座的横向、纵向进给机构多采用滚珠丝杆驱动，使其有足够的旋压力，以克服较大的径向和轴向旋压分力，并能进行平稳的调速，保证精度，满足工艺要求。所设计的旋轮座机械结构如图 11 所示图 11 旋轮座的结构整个旋轮座分两层结构，纵向滑架通过直线导轨副实现在基座上的纵向进给，横向滑架通过直线导轨副在纵向滑架上实现横向进给。进给动力由伺服电机带动滚珠丝杆提供。旋轮头与旋轮头支承是通过燕尾槽联接并由液压顶紧装置顶紧固定。旋轮头支承通过螺钉与横向滑架联接，并用圆柱销定位。2、直线导轨副的选用机床导轨的作用：是使机床运动部件沿一定运动轨迹运动，它是机床主要基本结构要素之一。机床的加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量。数控机床使用的导轨，从类型上仍是滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。为提高机床的伺服进给的精度和定位精度，数控机床使用导轨都具有较低的摩擦系数和有利于消除低速爬行的摩擦特性。机床导轨一般分为：滑动导轨、滚动导轨和静压导轨机床对导轨的要求（1） 、导向精度高 导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线性和与有关基面之间的相互位置的准确性。无论在空载或切削状态下都应有足够的导向精度。影响导轨精度的主要原因除制造精度外，还有导轨的结构形式、装配质量、导轨及其支承件的刚度和热变形等。（2） 、耐磨性好导轨的耐磨性是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。因导轨在工作过程中有磨损，故应力求减小磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。（3） 、足够的刚度 导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置，故要求导轨应有足够的刚度。为了减轻或平衡外力的影响，数控机床常采用加大导轨面的尺寸提高刚度。（4） 、低速运动平稳性 应使导轨的摩擦阻力小，运动轻便，低速运动时无爬行现象。（5） 、结构简单、工艺性好 所设计的导轨应使制造和维修方便，在使用时便于调整和维护。（6） 、而对于数控机床进给运动导轨则应有更高要求。高速进给时不振动，低速进给时不爬行，有高的运动灵敏性；能在重载下长期连续工作，耐磨性好，精度保持性好等。数控机床使用的导轨，从类型上仍是滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。为提高机床的伺服进给的精度和定位精度。滚动直线导轨副实际使用大约有 20 年，作为一种新型的滚动功能部件，已被广泛应用于精密仪器、数控机床等方面。对滚动直线导轨副最重要的是要了解其负荷性能，如果知道载荷分布状态，就可以估算滚动直线导轨副的静动负荷能力、运行寿命和可靠性。在计算导轨的载荷时，可建立如图 12 所示的系统。系统上作用有如下 5 种力及力矩载荷：(1)垂直载荷 R； (2)水平载荷 R； (3)颠覆力矩 M：；(4) 摆动力矩舰；(5)摇动力矩 My。为分析简便，视工作台和导轨、滑块除沟槽部分外的结构均为刚体。图 12 承受力和力矩的工作台系统旋轮座分两层结构，作用在每 1 层导轨上的垂直载荷 R 为其上面部分的机构的自重，水平载荷 R 为径向旋压力，颠覆力矩 M 的大小为轴向旋压力与旋轮作用点到与滑块中心的距离在 Y 轴上的投影的乘积，摆动力矩的大小为径向旋压力与旋轮作用点到