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【JG002】CA6140普车经济型数控化改造-整体[KT][C]
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【JG002】CA6140普车经济型数控化改造-整体[KT][C],jg002,ca6140,经济型,数控,改造,整体,总体,kt
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成都电子机械高等专科学校 毕 业 论 文 开 题 报 告 题 目 通车床改 经济型 数控车床 学 校 成都电子机械高等专科学校 专 业 机电一体化 姓 名 赵益 班 级 05412 学 号 32 指导教师 王超 老师 一、课题选择的依据和意义 及发展动向 当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。目前普通机床已不适应这种多品种、小批量生产和快速反映的市场要求，数控机床 则综合了数控技术、自动检测技术和微电子技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要更换零件相应的加工程序，不需要对机床作任何调整，因此既能很好地满足产品频繁变化的加工要求，又能降低机床升级改造成本、提高产品质量和生产效率，故而对普通机床进行数控化改造这一适合我国国情的技术正得到日益广泛的应用。 在实际应用中，除了机床行业之外，数控技术还应用在其他部门，产生了各种数控设备。最初，人们考虑的是在一台设备上如何提高自动化程度。例如，增加控制坐标轴的个数，如多轴数 控系统（目前世界上的数控系统，最多控制的轴数是 24 轴）。又如，在一台设备上实现多工序自动控制，“加工中心”就是一台多工序数控机床，在一台机床上，可以实现车、铣、钻、镗、攻丝等多种功能。后来，人们发现电子计算机处理数据的速度比数控设备的加工速度快，利用一台计算机可控制多台数控设备，即我们习惯称之为群控系统或直接数控系统（ 当前，国内外在数控装置、机床结构等的研究与开发方面不断取得成果，其水平和功能也日臻提高和完善，出现了新的发展特点。从数控系统方面看，主要有： （ 1） 主控机向着多位的微处理机化发展 。 （ 2） 数控装置向着集成化和智能化的方向发展。 （ 3） 数控系统采用模块化结构。 （ 4） 数控编程更加图形化和自动化。 （ 5） 数控系统更加可靠和宜人化。 在数控机床的结构方面，一是 ;其驱动装置正向着交流和数字化的方向发展； 二是 ;机床床体部分的设计和制造不断选用新的材料；三是 ;其加工刀具等辅助工具的材料引人注 . 二 、总体 改造设计方案 途 床主要用于加工中小型轴类盘类和螺纹零件，各种零件的回转表面，刀架能实现纵向和横向进给运动，并能在换刀点自动改变工位 选择刀具。 控改造后的功能 该车床经过数控化改造后，能够实现两轴联动，自动换刀，直线和圆弧的插补； 工件在一次安装后，完成 多 道工序的加工 ，通过编写不同的程序完成各种较为复杂零件的加工；提高了加工范围和加工精度。 通车床数控改造设计方案 一般来说对于现有普通机床进行数控化改造的做法应从两方面着手：机械部分和数控控制部分。 造机械部分 床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机 ，进给部分采用高精度的滚珠丝杠代替原来的滑动丝杠，且 采用步进电机驱动，经步进电机驱 动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需安装主轴脉冲发生器。 控控制系统 机械部分改造完成后，配上由单片机系统及应用程序构成的开环数字控制系统，用步进电机作为进给轴动力，经过一级减速齿轮驱动 X、 进电动机的选型 向步进电动机的选择 向步进电动机的选择 动机刀架的安装 自动转位刀架的设计是普通机床，数控改造的关键。它要求刀架要具 有抬起、回转、下降、定位和压紧这一系功能。尽管其结构复杂，各方面要求不，但 它保持了原本床工件最大回转直径的条件下，提供选用的多把刀的可能性。 电动刀架的安装较方便，只要将原车床上的刀架拆下将电动刀架装即可但要注意两点： 1) 电动刀台的两侧面应与车床的横向进给方向平行。 2) 电动刀台与系统的连线建议如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在于：避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、冷却液以及其它杂物磕碰电动刀架系统。 济型数控机床硬件电路设计。 用 51 系列单片机组成的控制系统，该系统采用 8031 作 展了一片 27128 芯片、 一 片 6264 芯片、 两 片 8155 芯片 。 三、研究的步骤、方法及措施 1 通过网络资源和书本了解和学习数控机床的结构和操作方法。 收集整理资料，为设计做好充分的准备。 2 通过 所了解的普通车床的控制部分和结构设计电气控制草图和机械部分设计草图。 3 将草图和老师共同探讨，修正后，按要求画出 电气控制及机械部分图。 4 整理思路和资料，并编写设计说明书。 四、研究工作进度 集整理资料，做设计的前提准备。 了解设计对象，确定设计内容。 开始设计图纸。 决图纸中的问题。 撰写论文（草稿） 撰写论文（定稿） 整理文告，准备答辩。 五、主要参考文献 1、实用数控加工技术 作者实用数控加工技术编委 出版社：北京、兵器工业出版社 1995 年 2、实用数控机床技术手册 作者实用数控加工技术 编委 出版社：北京出版社 1993 年 3、机床数控改造设计与实例 作者：余英良 出版社：机械工业出版社 1998 年 4、数控加工程序编制 作者：范炳炎 出版社：航空工业出版社 1992 年 5、经济型数控系统设计 作者：张新义 出版社：机械工业出版社 1994 年 6、机床设计手册 作者：机床设计手册编委会 出版社：机械工业出 版社 1979 年 7、毕业设计指导书 作者：李恒权 出版社：青岛海洋大学出版社 1993 年 8、数控机床技术手册 作者：李福生 出版社：北京出版社 1996 年 9、 题精解 作者：姜勇 出版社：人民邮电出版社 2000 年 10、机床数控技术应用 作者：李宏胜 出版社：高等教育出版社 2001 年 11、机械制造工艺设计简明手册作者：李益民 12、数控化改造 作者：李诚人 出版社：清华大学出版社 13、金属切削机床概论 作者：顾维邦 出版社：机械工业出版社 六、指导教师审核意见： 指导教师（签字）： 年 月 日 七、答辩小组评议意见： 答辩小组组长（签字）： 年 月 日 八、学校领导审核意见： 1 通过 2 完善后通过 3 未通过 学校领导（签字）： 年 月 日 摘 要 本设计说明书包括：概论、总体设计方案的拟定和验证，本设计主要是对经济型数控机床硬件电路部分的改造，还对主传动部分、伺服进给系统给与简单的改造、其中还包括自动转位刀架的选择设计、编码盘安装部分的结构设计等几个部分。改造后的机车，主运动实现自动变速，纵向、横向进给系统进行数控控制，并要求达到纵向最小运动单位为 脉冲，横向最小运动单位 脉冲，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹。 关键 字 ：数控改造 进给系统 滚珠丝杠 自动刀架 硬件电路 of he of of to of to to of to of so to to to to be a is it is to to of in 录 前言 1 第一章 概论 .、 系统发展史 2 二、 数控机床的改造的必要性 2 三、 数控化改造的空间 3 四、 数控机床改造的效益分析 4 第二章 普通机床的数控化改造机械部分和可行性论证 4 第一节 总体方案的 拟定 4 1主传动系统的设计改造 .数控系统的 选择 .自动转位刀架选择设计 .驱动系统的设计改造 5 第二节 可行性论证 8 第三章 总体方案的确定 8 第四章 主传动部分改造与设计 9 一、主传动部分方案拟订和设计的内容 、主轴 部分改造设计计算 五章 伺服进给结构设计 17 第一节伺服系统的组成原理和要求 17 一、 伺服系统的组成原理 17 二、 伺服系统的要求 18 第二节 伺服进给系统的设计内容和设计计算 .、 纵向进给系统的设计 . 19 二、 横向进给系统饿设计计算 . 28 第三节 步进电机的选择 . 、 向进给系统步进电机确定 、 向进给系统步进电机确定 四节 伺服系统说明 . 35 一、 机床进给系统的结构及工作原理 . 35 二、 步进电机 36 三、 步进电机的驱动电源 36 四、 滚珠丝杠 37 五、 机床导轨 38 第六章 自动转位刀架 . 、数控车床刀架的基本要求 . 、车床刀架结构 . 、 工作原理 . 、 刀架的安装 . 41 第七章 微机数控系统硬件电路设计 42 第一节 单片机数控系统硬件电 路设计内容 42 第二节 51 系列单片机的选用 . 三 节 存储器扩展电路设计 45 第 四 节 I/O 接口电路及辅助电路计 .五节 微机控制系统 硬件 电路原 理 .计小结 . . . 考文献 . . . 第 1 页 共 46 页 前 言 大学三年的学习生活即将结束，大学学习生活中的最后一个环节也是最重要一个环节 毕业设计，是对所学知识和技能的综合运用和检验。 对普通车床进行经济型数控改造符合我国国情，即适合我国目前的经济水平、教育水平和生产水平，又是国内许多企业提高生产设备自动化水平和精密程度的主要途径，在我国有着广阔的市场。从另一个角度来说，该设计既有机床结构方面内容，又有机加工方面内容，还有数控技术方面的内容，有利于将大学所学的知识进行综合运用。虽然设计者未曾系统的学习过机床设计的课程，但通过该设计拓宽了 知识面 ， 增强了实践能力，对普通机床和数控机床都有了进一步的了解。 本人的毕业设计课题是对普通车床（ 行经济型数控改造，其内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（伺服进给机构设计、自动转位刀架的选择或设计、编码盘安装部分的结构设计）、主运动自动变速原理 硬件电路设计 等。 毕业设计作为我们在大学校园里的最后一堂课、最后一项测试，它既是一次锻炼，也是一次检验，在整个设计过程中，我获益匪浅。在此，我要衷心感谢 各位 老师对我的关心和细致指导。 由于毕业设计是我的第一次综合性设计，无论是设计本 人的纰漏还是经验上的缺乏都难免导致设计的一些失误和不足，在此，恳请老师和同学们给以指正。 设计者： 赵益 2008 年 5 月 第 2 页 共 46 页 第一章 概论 数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑 地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。 一、数控系统发展 史 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 二 、机床数控化改造的必要性 数控 机 床有以下突出的优越性，在科学技术迅速发展的今天优势越来越明显。 1 、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。 2 、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 37 倍。 3、 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要 修配 。 4 、可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 5、 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。 6、 由以上五条派生的好处。 如：降低了工人的劳动强度，节 省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 三 、 数控化改造的市场空间 第 3 页 共 46 页 我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上；10 年以下的机床中，自动 /半自动机床不到 20， 自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60以上）。可见我们的大多数制造 行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，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。所以必须大力提高机床的数控化率。 四 、 机床改造的效益分析 提高机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的途径，采 用第二中方法有以下的优点： 1、减少了投资和交货的期限同购置新的数控机床相比，一般可以节省 60%到 80%的费用，改造的费用大大减低。 2、机械的稳定性可靠 机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。 3、熟悉了解设备结构性能，便于操作维修购买的新设备，事先很难前面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和 维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。 4、可以充分利用现有的条件 可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以在利用。 5、可更好的因地制宜合理筛选功能 购买现成的通用型机床，往往对一个具体第 4 页 共 46 页 的生产加工有一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造的方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床 。 6、可及时采用最新技术，充分利用社会资源 第二章 普通车床 机械部分 总体方案的确定和 可行性论证 第一节 总体设计方案的 拟定 床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。这些工作内容，就是数控化 改造数控系统控制的对象。察看 床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体改造方案 。 1、主传动系统的设计改造 对普通车床进行数控改造时，一般可保留原有的主传动系统和变速操作机构，以减少改造量。但本设计中为了提高车床的自动化程度，以便于在加工过程中实现自动变换切削速度，对其作了相应的简化改造。 采用交流调速电机做车床主轴电机以取代原来的主轴电机，以实现无级调速；并简化原来传动系统，以达到多档调速范围的确定。 2、数控系统的选择设计 计算机数控装置（ 控制装置是数控机床的中心环节。它通过 对加工程序的运行处理，发出控制信号，实现对加工过程的自动控制。 在本设计中，由于时间较短、设计人员少，因而决定引进 江苏东方数控新技术公司生产的 控系统 数控机床的刀架是机床的重要组成部分。其结构直接影响车床的切削性能和效率。卧式车床数控改造应将原来机床的普通手动转位刀架替换成自动换位刀架，本设计决定第 5 页 共 46 页 采用常州武进数控设备厂生产的 由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于 机床尽可能减小改动量，以降低成本。总体改造如 下 图所示 ： 图 7体改造的示意图 （ 1） 控制方式类型选择 数控机床的伺服进给系统有开环控制、闭环控制和半闭环控制之分。 开环系统：结构简单、工作可靠、造价低廉，但影响定位精度的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在，故精度和快速性较差。开环控制的定位精度一般为 不能满足横向最小运动单位 脉冲的要求。 闭环系统：控制精度高、快速性好，但对机床的要求比较高，且造价较昂贵。 闭环控制的定位精度一般为 本设计属经济型数控改造，无须达到此精度。 半闭环系统：结构简单、调整方便，在中小型性能要求较高的数控机床中应用较多，测量角度伺 服 放大器反馈脉冲进结脉冲比较环节工作台齿轮箱伺 服 电动机第 6 页 共 46 页 故本设计采用半闭环控制。 半闭环控制系统组成原理图如下： 图 7（ 2）伺服进给机构的改造 纵向进给机构的改造： 拆除原来机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，装上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在丝杠的右端，采用滚珠丝杠可以提高系统的精度和纵向进给的整体刚度。 横向进给机构的改造： 拆除原来横向进给的丝杠，换上滚珠丝杠；保留原来的横向手柄机构，横向步进电机和减速箱安装在机床后侧。 （ 3）步进电动机的选用 选用步进电动机，通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小。但是，增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本相矛盾。因此在实际选用步进电动机时，要考虑各方面因素。 首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。为兼顾精度与速度的要求，应在满足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后，以此为依据选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。 （ 4）丝杠螺母副 卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠，即丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。由于，滑动丝杠螺母副的摩擦大、转动效率低。在精度要求不高的情况下，可以仍用原机床的滑动丝杠。若要求机床精度和被加工精度较高的情况下，应将原机床的滑动丝杠螺母副改换成 滚珠丝杠螺母副。考虑本设计的设计要求，选用滚珠丝杠螺母副代替原机床的滑动丝杠螺母副。 （ 5）机床导轨改造 卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床的导轨面运动的。导轨的作用就是支承和导向，即支承运动部件，并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工精第 7 页 共 46 页 度要求、支承能力和使用性能。数控改造时根据原机床导轨的磨损程度和加工精度要求，来确定导轨的结构形式。 一般是将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。贴塑导轨摩擦系数小，且动、静 摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、抗咬伤能力强、加工性和化学性能稳定，具有良好的自润滑性和抗振性；工艺简单，成本低。 第二节 可行性论证 可行性论证是用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。 根据传统的论证方法，普通车床经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即从企业生产经营现状及存在的问题分析；从企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资 概算、效益分析；改造后车床的实施计划，结论等。 本改造设计是对普通车床 6140行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是苏东方数控新技术公司 生产的 数控系统，常州宏达机床数控设备厂的61404 电动刀架，加上两台伺服电机，费用约为 5万余元；一台交流调速电动机和齿轮减速机构，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副、贴塑导轨等零件，费用约为 2万余元，总的改造费用约为 7 8万元。旧车床估计截至在 6 7万元。这样设备改造费用和 旧设备费用总计不会超过 15 万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和加工精度的有效选择，具有一定的实用性。 第三 章 总体设计方案的确定 经总体设计方案的论证后，确定的 车床经济型数控改造的总体方案示意图如下图所显： 床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机；车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动，经步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需安 装主轴脉冲发生器。 第 8 页 共 46 页 图 3体方案设计图 微 机 光电阻隔 微电机 刀架 光阻 编码 器 光电阻隔 功率放大 功率放大 光电阻隔 功率放大 变频调速电 机 步 进 电 机 步 进 电 机 主 轴 纵向工作台 横向工作台 第 9 页 共 46 页 第四章 主传动部分改造与设计 在改造设计之前，让我们先来看一下数控机床主传动与普通机床相比所具有的特点： 1）采用调速电机驱动，以满足主轴根据数控指令进行自动变速的需要； 2）传动路线短，从而简化了主传动系统机械结构； 3）转速高、功率大； 数控机床的主传动系统除应满足普通机床传动要求外，还应满足如下要求： 1 具有更大的调速范 围，并实现无极调速。 具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。 数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理 的支承跨距等，以提高主轴件的刚性。 具有良好的抗振性和热稳定性。 数控机床上一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙 度，严重时甚至破坏刀具和或零件，使加工无法进行。因此在主传动系统中的各主要零部件不但要求有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力 抗振性。 一、 主传动部分改造方案拟定和设计的内容 改换主轴电动机，换成调速电动机，通过对电动机的变频调速控制再加以简单的齿轮调速来实现自动变速，齿轮调速部分用磁离合器控制齿轮啮合。 数控机床主轴变速方式主要有无级调速、分段无级调速和内置电机变速等。在本设计中采用分段无级调速。 无级变速能够选用最合理的切削用量，可在运转中变速，操作方便，简化机械结构。 所谓分段 无级变速就是在交流或直流电机无级调速的基础上配以齿轮变速。它能够实现中、高速段的恒功率传动，低速段的恒转矩传动。在该系统中，主轴的正、反转和制动停止，通过数控指令直接控制电机来实现。主轴的变速则有电动机的无级变速与齿轮的有机变速相配合来实现。 第 10 页 共 46 页 四、主传动部分改造设计计算 根据机车要求粗选车床主轴变速范围： 00 500 r 25 r 粗步估算电动机功率 根据统计分析法： P =(54.1 D 取 400(据车床说明书， D 机床的最大加工直径 ) 所以 P =.9( 1. 切削力参数的确定 切削力： 实用机床设计手册，以后若无说明则源于实用机床设计 手册 ) 查表 88 2/ 查表 金属切削原理） 粗加工 精加工 切削深度 4 6 给量 f 削速度110 120 150 估算最大最小的切削力： N ） N ） 切削功率 ： 0000 (4则最大最小的切削功率为： 主电动机功率： （ (4 主转动链的总效率 取 = 11 页 共 46 页 则最大最小的总效率 ： 1（ 根据计算选用 11电动机： 4160 最高转速 500 r 额定转速 n =1460 r z 和公比 主轴计算转速： 3. （ 4 6） 则 5 =r ） 主 轴恒功率变速范围： = （ 4 7） 即 动机恒功率变速范围： （ 4 8） 即 14603500= 公比： 1Z =4 9） 即 1Z =轮变速级通常为 2 4 当 z 取 2时： = z 取 3时： = z 取 4时： =若选用 z =2 =P= （ 4 10） 即 0P= 第 12 页 共 46 页 若选用 z =3 =P= 功率降低区的最小输出满载功率仅为 与机床要求的最大功率相差太大，古不能采用。 若选用 z =4 =0P= 符合机床功率 要求。 主轴恒转矩变速范围： （ 4 11） 即 为主轴和电动机的恒转矩变速范围应相等，即： 主 电动机的最低转速： 4 12） 即 电动机额定转矩： 9550（ 4 13） 即 460 119550 =） 主轴计算转速： r ) 主轴恒功率变速范围： （ 4 14） 即 级变速机构的变速范围： =4 15） 即 13 页 共 46 页 主传动系统总降速比： i =4 16） 即 i =： z =4， =： 1= 2= 试取 2i 1 查表 i =： 1i = 3i=取： 1z =23 1z =61 2z =50 2z =56 3z=64 3z=30 由以上计算得： 4i =取 4i =取： 4z =20 4z =70 根据原机床的机床说明书取： 1m =2m =2， 3m =4m =b =35 = 020 所以： 1d = 1123= 1d =61= 2d =2 50=100（ 2d =2 56=112（ 3d=65=144（ 3d=31= 4d =20=45（ 4d =70= 第 14 页 共 46 页 主电机11、轴承的型号大小与原机床无大的改动，所以这里就不再作强度、刚度的校核。主轴传动系统图 4 电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，它便于实现自动操作，能简化变速系统。给图中齿轮装上电磁离合器，通过传动轴上的离合器吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现自动变速。 改造后的机床为实现其螺纹加工还须配置主轴脉冲发生器作为车床主 轴位置信号的反馈元件。它与车床主轴同步运行，采集主轴运动时的数据信息，发出主轴转角位置变化信号，输入到数控系统内，再由数控系统通过软件控制，以保证主轴每转一转时，螺纹车刀也同步在纵向进给一个螺纹，并保证螺纹加工中分几次切削时不发生乱扣，即每次螺纹切削进刀位置一致。主轴脉冲发生器一般采用增量式光电编码器，其安装通常有两种方式：同轴安装、异轴安装。 同轴安装方式是直接与车床主轴的后端相联结，这种方式结构简单，但缺点是安装后不能加工 穿出车床主轴孔 的零件；异轴安装方式是通过桥齿轮或同步齿 形带传动，使主轴与光电编码 器同步转动，其 结构复杂，但避免了前述同轴安装的缺点。本 设计中是采用异轴安装方式。 第 15 页 共 46 页 图 7量式编码盘安装示意图 主轴脉冲发生器输光学元件，安装时应小心轻放，不能有较大的 冲击和振动，以防损坏玻璃光栅盘，造成报废。令应注意主轴脉冲发生器的最高运行转速，车床主轴的转速必须小于此转速，以免损坏脉冲发生器。 第五章 伺服进给机构设计 伺服进给机构的设计是普通车床经济型数控改造的主要部分，如果说 统是数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机 构，那么，伺服驱动系统便是数控机床的“四肢”，是执行机构，它忠实而准确的执行由 统发来的运动命令。伺服控制系统是联接数控系统与机床的枢纽，其性能是影响数控机床的精度、稳定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。 第一节 伺服系统的组成原理和要求 一、伺服系统的组成原理 机床进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。机床进给机械传动系统通常由减速齿轮、滚珠丝杠、机床导轨和工作台拖板等组成。对于伺服驱动控制系统，按其反馈信号的有无，分为开环和闭环 两种控制方式。对于开环伺服系统只能由步进电机驱动，它由步进电机驱动电源和电动机组成。闭环伺服系统则分为直流电动机和交流电动机两种驱动方式，并且是双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度控第 16 页 共 46 页 制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器以及功率驱动放大器等部分组成。位置环是由 置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。根据其位置检测信号所取部位不同，它又分为半闭环和全闭环两种 。半闭环采用转角位置检测装置，安装于滚珠丝杠端部，或直接与伺服电动机转子的后端相连（与伺服电动机成一体）；对于全闭环系统需要采用直线位置检测装置，安装于机床导轨与工作台拖板之间。通常伺服驱动控制单元与电动机由一个生产厂家配套提供（甚至包括位置检测装置）。 二、伺服系统的要求 伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构。为确保机床的加工质量和效率，机床对其伺服系统有“稳、准、快、宽、足”五个要求，它反映了伺服驱动系统的五项性能指标 。 对进给伺服系统除了上述五项主要性能指标外，也要求温升低、噪声小、效率高、 体积小、价格低、控制方便、线性度好（如输出速度与输入电压成线性）、可靠性高，维修保养方便，对温度、湿度等环境要求宽等等。 第二节 伺服进给机构的设计内容和设计计算 伺服进给机构的设计内容包括：纵向进给系统的设计与计算、横行进给系统的设计与计算、步进电机的选择三大部分，该部分设计的总体方案示意图如图 5使这三大部分与数控系统的配合达到好的效果，伺服进给机构的改造设计部分除了主要的三大部分内容外，还包括与步进电动机相关的驱动电源、功率放大电路、辅助电路；与滚珠丝杠副相关的机床导轨等内容的设计选择 图 5 伺服进给机构设计总体方案 步进电动机车床加工工件图 纸工件 变速箱数控程序编 制变速箱步进电动机手工输入或计算机控制计算机功率放大器存储装置第 17 页 共 46 页 一、纵向进给系统的设计 普通车床的经济型数控改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端，从改造方便、实用方面来考虑，一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端， 即尾架部位。 已知的条件： 工作台重量： W =1001000N （根据图纸粗略计算） 时间常数： T =25滚珠丝杠基本导程： 0L=6行程： S =600脉冲当量： P = 步距角： = 最大进给速度： m 由实用机床设计手册可知： 切削功率： （ 5 1） N 电机功率 N =11 主传动链的总效率 取 =k 进给系统的功率系数，取 k =： 1 又因为： 1205 2） 则： 5 3） v 切削线速度，取 v=100 m 所以： =5700（ N ） 由金属切削原理可知： 第 18 页 共 46 页 主切削力： 88 2/ 计算 下： )( 2 3 3 3 )(，切削深度 2走刀量 f =以此参数作为下面计算的依据，从实用机床设计手册中可知，在一般外圆切削时： .5 5700=2850（ N ） .6 5700=3420（ N ） 滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。 综合车床导轨丝杠的轴向力： P = （ 5 4） 式中 由于上选用的 是矩形的导轨， 根据机床设计手册查出， K = f =： P =2850+5700+1176） =N ） （ 1）强度计算： 寿命值： 1060 （ 5 5） 所以： 01000 （ 5 6） 取工件直径： D =80第 19 页 共 46 页 查表得： 5000h （自动控制机床及机床通常的取值） 所以： =20（ r/ 10150002060 =18 最大动载荷： Q =5 7） 表 5 1 运转系数值表： 运转状态 运转系数 冲击的圆滑运转 般运转 冲击的运转 5 2 硬度系数表 硬度（ 60 5 0 5 0 30 25 硬度系数0 15 查表取： 运转系数： 度系数： 1 Q = =N ） 根据最大动载荷 Q 的值和原机床参数，选择滚珠丝杠的型号 54006 ，即内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，公称直径为 40 导程为6滚珠列数为 5 列，精度等级为 B 级（一般数控 机床精度等级为 B 级），额定动载荷为 26000N 。 表 5 3 4006滚珠丝杠具体参数： 公称直径 基本导程 钢球直径 丝杠大径 轴端直径 额定载荷（ 刚度 0 4 35 26 84 2220 螺 母 安 装 连 接 尺 寸 第 20 页 共 46 页 D E 2 60 94 75 15 9 15 9 48 6 68 128 因为： 26000N 所以强度不成问题。 （ 2）效率计算： 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为： = )( tg （ 5 8） 式中： 摩擦角： = 10 螺旋升角： = 0253 =)10253(25300 3）刚度验算： 滚珠丝杠受工作负载 P 引起导程的变化量： 0L= 5 9） 式中： 0L=6E =106 ： F= 22d = 224 102（2 则： 0L=26 7 = 10 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 2L 很小，可以忽略，即： L = 1L 所以导程变形总误差 为： = 0100（ 5 10） 即 = = ） 查表知 B 级精度丝杠允许的螺距误差（ 1m 长）为 25 ，故刚度足够。 （ 4）稳定性验算 根据公式 : FK=2 （ 5 11） 第 21 页 共 46 页 式中 : (双推 简支 ); E =10 I= 4164 d= 4464=K=4; L=55 4=140 ( (丝杆长度 ) 107 1402 88577 稳定性也没有问题 . （ 1）有关齿轮计算： 传动比： i =3600（ 5 12） 则 i =取齿轮齿数： 1z =32 2z =40 模数 : m =2 b =20 =200 分度圆直径 : 1d = 1=2 32=64（ 2d = 2=2 40=80（ 齿顶圆 : 11d +128（ 22d +224（ 准中心距 a =2 21 =28064=72（ （ 2）转动惯量计算： 工作台折算到电机轴上的转动惯量： 1J = 180 （ 5 13） 第 22 页 共 46 页 即 1J = 100= 2 =N 2 丝杠的转动惯量： 104 （ 5 14） 式中： D 丝杠的名义直径， D =1L 丝杠两固定端的间距， 1L =150所以： 1044 150= 2 = 2 齿轮的转动惯量： 10 4 2 110 2 =N 2 21084 2= 2 = 2 电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量： J = 221 + 1 1J （ 5 14） = 1 2 + 2=N 2 （ 3）所需转动力矩计算： 快速空载启动时所需力矩： M =0m a x （ 5 15） 最大切 削负载时所需力矩： M = 0（ 5 16） 快速进给时所需力矩： M =0MM f 5 17） 式中： 空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩； 折算到电动机轴上的 摩擦力矩； 0M 由于丝杠预紧所引起，折算到电动机轴上的附加摩擦力矩； 切削时折算到电动机轴上的加速度力矩； 折算到电机轴上的切削负载力矩。 10N m ） （ 5 18） 式中： T 为时间常数， T =25 10第 23 页 共 46 页 当 n =5 19） 即 =r ） 10N m ） = 当 n =aM=01000 （ 5 20） =r ） 10N m ） = fM=2 00=2 0 （ 5 21） 当 =f =， = = 0M= 2000 12 （ 5 22） 当0=预加载荷： P0=6)1( 200 = = = tM=2 0（ 5 23） 第 24 页 共 46 页 即 = =N 所以，快 速空载启动所需力矩： M =0m a
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