C6140型普通车床数控化改造方案的设计论文.doc

1 目 录 任务书 中文摘要 英文摘要 1 绪论 5 1 1 改造的可行性 6 1 1 1 机床改造的必要性 6 1 1 2 数控改造的优点 6 1 2 机床的设计改造 6 2 C6140 型普通车床数控化改造方案的设计与确定 8 2 1 总体方案设计 8 2 2 总体方案的确定 8 3 C6140 数控车床横向传动结构设计 10 3 1 C6140 数控车床的主要技术参数 10 3 2 数控机床的改造要求与伺服电机的选用 10 3 2 1 数控机床的改造要求 10 3 2 2 伺服电机的工作原理 11 3 2 3 伺服电动机的选用 11 3 3 丝杠螺母副 12 3 3 1 滚珠丝杠副传动部件 12 3 3 2 滚珠丝杠副的原理 特点及有关应用中的问题 13 3 3 3 滚珠丝杠副的支撑 13 3 3 4 安装调整中应注意的问题 16 3 4C6140 车床数控化改造机械部分改造设计与计算 16 3 4 1 纵向进给系统的设计 16 3 4 2 横向进给系统的计算 19 3 5 主传动系统的设计 21 3 5 1 主传动系统的改造 21 3 5 2 主运动系统转速图的设计 22 3 5 3 主轴的变速反转和制动 22 3 5 4 控制类型的确定 23 3 5 5 安装电动卡盘 23 3 5 6 传动方面改造设计 23 3 6 进给系统的改造 24 3 6 1 进给伺服系统 25 3 6 2 进给系统机械传动部分改造 25 4 C6140 车床数控化改造电气部分改造设计 27 4 1 数控系统操作及参数说明 27 4 2 系统参数 27 4 3 NIM 9702 数控系统接口 28 4 4 系统电源 28 2 4 5 系统的接地 29 4 6 开关量 I O 信号的电特性 29 4 7 系统信号 I O 的连接 29 5 数控系统硬件电路设计 31 5 1 数控系统基本硬件组成 31 5 1 1 概述 31 5 1 2 单片机控制系统的设计 31 5 2 硬件电路的组成 32 5 2 1 各种芯片选择及引脚功能说明 32 5 2 2 辅助电路 47 5 2 3 驱动电源电路的选择 48 5 2 4 控制类型的确定 49 5 2 5 面板操作键和方式选择开关 49 5 2 6 螺纹加工的传动与控制 50 5 3 硬件电路设计 50 5 3 1 接口电路与 AT89C51 的连接 50 5 3 2 伺服电机接口电路 51 5 3 3 隔离电路 52 5 3 4 脉冲分配器 52 6 软件设计 53 6 1 总体设计方案设计 53 6 2 系统初始化软件 53 6 3 插补程序设计 53 6 3 1 直线插补 53 6 3 2 圆弧插补 55 7 程序设计 60 8 数控机床的安装调试及验收 63 8 1 机床的地基和对环境的要求 63 8 2 各控制单元间的电缆连接 63 8 3 通电试车前的检查 63 8 3 1 输入电源电压和频率的确认 63 8 3 2 检查直流电源输出端是否正常 63 8 3 3 检查各熔断器 63 8 3 4 短接棒的设定 63 8 3 5 检查油和气 64 8 3 6 确认各部件机器位置 64 8 4 通电试车 64 8 4 1 确认试车 64 8 4 1 确认电源电压相序 64 8 4 2 接通强电柜交流电源 64 8 4 3 接通直流电源 64 8 4 4 线数控装置供电 64 8 4 5 数控系统参数核对 64 3 8 4 6 手动操作 65 8 4 7 主轴与辅助装置通电 65 8 4 8 空运行及有关性能试验 65 设计小结 66 致 谢 67 参考文献 68 1 1 绪论绪论 4 1 11 1 改造的可行性改造的可行性 随着社会生产和科学技术的迅速发展 机械产品的质量和性能不断提高 产品的更 新换代也不断加快 因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率 而且应能迅速地更 换产品的零件 生产需要促使了数控机床的产生 随着电子技术 特别是计算机技术的 发展 数控机床也迅速地发展起来 从第一台数控机床问世至今 世界上主要工业化国家的数控机床进入了批量生产 机床的数控化程度在不断地提高 我国从开放搞活以来 加快了数控机床技术的引进 促进了我国机床数控技术的普 及和发展 各大企业不断地购进数控机床 扩大生产和替换陈旧设备 数控机床在企业 中也不是凤毛麟角 而是不断地提高普及率 在这种情况下 普通机床的数控改造是重 要的 如以下几个方面的说明 1 1 11 1 1 机床改造的必要性机床改造的必要性 数控机床可以较好地解决形状复杂 精密 小批量和多变零件的加工问题 能够稳 定加工质量和提高生产效率 但是应用数控机床还受到其他条件的限制 1 数控机床价格昂贵 一次性投资大 对中小型企业是心有余而力不足 2 目前各企业都有大量的普通机床 完全用数控机床替换根本 可能 而且替换下来的普通机床闲置下来又会造成浪费 3 在国内订购新数控机床的交货周期一般较长 往往不可能满足生产的需要 4 通用数控机床对具体生产有多余功能 要较好地解决上述问题 应走普通机床的数控化改造之路 从美国 日本等工业化 国家的经验看 机床地数控化改造必不可少 数控机床占有很大比例 因此 普通机床 的数控化改造不但有存在的必要 而且大有可为 尤其对一些中小型企业更是如此 1 1 21 1 2 数控改造的优点数控改造的优点 1 易对现有的机床实现自动化 而且专业性强 没有多余功能 2 减少辅助加工时间 提高机床的生产效率 3 降低对工人技术等级的要求 4 数控改造费用低 可充分利用原有机床设备 5 数控改造周期短 可满足生产急需 所有这些目的都是围绕一点 即提高机床的性能价格比 用较少的价格得到较高的 机床性能 因此数控改造具有以下几点 1 易于对现有机床实现自动化 而且专业性强 没有多余的功能 2 减少辅助加工时间 提高机床的生产效率 3 降低对工人技术等级的要求 4 数控改造费用低 可充分利用原有机床设备 5 数控改造的周期短 可满足生产急需 1 21 2 机床的设计改造机床的设计改造 数控机床业的发展 机械产品的性能和质量不断提高 产品的更新换代也不断加快 因此对机床位不仅要求具有较高的精度和生产率 而且应该能迅速的适应零件的变换 生产的需要促进数控机床的产生 随着电子技术 特别是计算机技术的发展 数控机床 5 迅速地发展起来 从第一代数控机床问世以来 世界上主要工业化国家得数控机床已经进入批量生产 机床的数控化率在不断的提高到 1998 年 日本生产机床的数控率达到 70 我国从改革 开放以来 加快了数控机床技术的引进 促使我国机床数控技术的普及和发展 各大企 业不断购进数控机床扩大再生产和替换陈旧设备 数控机床在企业中再不是凤毛麟角 而是不断提高普及率 广泛的运用到个工业领域 数控机床作为机电一体化的典型产品 在机械制造业中发挥着重要作用 其可以很好的解决现代制造业中的复杂 精密 小批 多变零件的加工问题 能稳定加工质量 提高劳动生产率 但其价格昂贵 一次性投入 大 往往使企业心有余而力不足 我国作为机床大国 数控化的道路漫长 走改革之路 为上策 我们对 C6140 进行了数控改造 效果良好 6 2 2 C6140C6140型普通车床数控化改造方案的设计与确定型普通车床数控化改造方案的设计与确定 2 12 1 总体方案设计总体方案设计 设计任务 利用单片机控制技术对 C6140 型车床的横向系统进行控制 其横向脉冲 当量为 0 005mm 脉冲 驱动元件采用步进电机 改造后的车床能够完成机床主轴的启动 停止和变速 纵向和横向进给运动的行程和变速 刀具的变速和冷却 都可以自动控制 并具有螺纹和锥螺纹等自动循环机能 在该机床中采用液压尾座快换刀架和机床外对刀 装置 该机床适用于加工形状复杂 中小批量的零件 对一般车削加工任意锥面 球面 螺纹端面 回转面等加工工序 能控制主轴的开停变速及一些辅助功能 使加工实现自 动化 自动转位刀架的设计是普通机床改造机械方面的关键 由微型控制的自动转位具重 复定位精度高 工作刚性好 性能可靠 使用寿命长以及工艺性能好等特点 2 22 2 总体方案的确定总体方案的确定 C6140 车床改造总体设计方案的内容包括 系统运动方式的确定 伺服系统的选择 执行机构及传动方式的确定 数控系统的选择等内容 应仔细考虑各种高性能 自动化 等要求 也要考虑被改造机床的具备条件 是技术的先进性与经济性的合理性交好的统 一 对于横向进给机构 保留原手动于调刀 原支承结构也保留 和纵向进给一样步进 电机与纵向滚珠丝杠间任何需一级齿轮减速 丝杠螺母与横向施板任用一螺母座连接 施板后部开轴承孔以便滚珠丝杠的连通与支承 后接减速箱与步进电机 纵 横向进给机构减速齿轮采用双片齿轮 靠错位消除啮合间隙 丝杠外加防尘罩 溜板箱上安装急停按钮 以适应意外情况的急停 硬件方面控制系统的硬件配置是 基本系统包括单片机 AT89C51 锁存器 EPROM 和 RAM 存储器 并行接口 8255 用作连接开关量的输入输出和对伺服电机进行控制 8279 为 键盘显示器接口 软件方面 软包装件设计采用模块化结构 以便于系统功能的扩展 分为三块 手 动操作 加工 编辑 图 2 1 机床的操作模式图 根据设计任务 系统采用轮廓控制形式 控制系统硬件由微机控制部分 键盘及显 示器 I O 接口及光电隔离器 步进电机 功率放大器等组成 在其纵横向均采用步进电 机 7 减速齿轮 滚珠丝杠螺母副 溜板的传动方式 刀架更换为四刀位回转刀架 改造前的机床传动系统图如图 2 2 所示 图 2 2 改造后车床传动系统图 8 3 3 C6140C6140数控车床横向传动结构设计数控车床横向传动结构设计 3 13 1 C6140C6140数控车床的主要技术参数数控车床的主要技术参数 C6140 车床是开环式的数字程序控制车床 能进行内外圆柱面 圆锥面 圆弧面 圆 柱螺纹和圆锥螺纹等加工 机床主轴的启动 停止和变速 纵向和横向进给运动的行程 和变速 刀具的变速和冷却 都可以自动控制 并具有螺纹和锥螺纹等自动循环机能 在该机床中采用液压尾座快换刀架和机床外对刀装置 该机床适用于加工形状复杂 中 小批量的零件 车床横向进给机构主要由其相应的步进电动机 齿轮变速箱 滚珠丝杠副及一些连 杆 密封 支撑等组成 在设计时主要考虑和选择步进电动机的相数 拍数 步距角 最大静转距及外形和配合尺寸 齿轮的模数 齿数 主要尺寸及和轴的配合 滚珠丝杠 副的承载能力 支撑 润滑 配合要求 间隙的调整和有关结构设计 传动轴的结构和 零件的安装 连接和密封 主要参数 机械部分 工件最大回转直径 在床面上 320 毫米 在床鞍上 175 毫米 工件最大长度 750 毫米 主轴孔径 35 毫米 主轴前端孔锥度 莫氏 5 号 主轴转速范围 18 级 19 2000 转 分 刀架纵进给量和螺纹的螺距范围 0 01 20 48 毫米 刀架横进给量范围 0 011 10 24 毫米 刀架纵向与横向进给的脉冲当量 0 01 毫米 刀架快速移动速度 纵向 3 6 米 分 横向 1 8 米 分 数控部分 数控部分坐标数 2 插补运算原理 逐点比较法 3 23 2 数控机床的改造要求与伺服电机的选用数控机床的改造要求与伺服电机的选用 3 2 13 2 1 数控机床的改造要求数控机床的改造要求 在数控机床的进给系统机械部分改造设计中 机械传动是数控机床进给系统的重要 组成部分 其作用是将伺服电动机的旋转运动转换为执行部件的直线运动和回转运动 为了确保进给系统的定位精度 快速响应特性和稳定性要求 所以 机械传动装置必须 具有高刚度 无传动间隙 低摩擦 高灵敏度 长寿命等要求 对数控机床进给系统机械部分的要求有以下几点 1 高的传动精度和定位精度 数控机床的进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性作用 其中应采取的措施是通过在进给系统中加入减速齿轮 以减小脉冲当量 预紧传动滚珠 丝杠 齿轮 蜗轮传动件的间隙方法 9 2 减小运动件的摩擦力 尤其是减小丝杠传动和工作台运动导轨的摩擦 以消除爬行 提高系统的稳定性 3 减小运动部件的惯量 进给系统中每个零件的惯量对进给系统的启动 制动特性有直接的影响 因此 在 满足传动强度和刚度的前提下 应尽可能减小零件的惯性 4 阻尼适当 一方面 阻尼可降低进给伺服系统的快速响应性 另一方面 阻尼有增加系统的稳 定性 因此 传动机构的阻尼要选择适当 5 稳定性好 寿命长 稳定性是进给伺服系统能够正常工作最基本的条件 在低速进给情况下不产生爬行 并能够适应外加系统的变化而不发生共振 采取适当的润滑方式和防护措施延长其寿命 3 2 23 2 2 伺服电机的工作原理伺服电机的工作原理 伺服电机的工作原理是 当某相定子励磁后 它吸引转子 使转子的齿与该相定子 磁极上的齿对齐 所以 伺服电机的工作原理实际上是电磁铁的工作原理 1 伺服电机的定子绕组的通电状态每改变一次 它的转子就转过一定角度 及电动 机的步距角 2 改变伺服电机定子的绕组的通电顺序 转子的旋转方向也随之改变 3 伺服电机定子绕组的通电状态的改变速度越快 既通电状态的频率越高 转子的 转速就越高 4 伺服电机的步角距 与定子绕组的相数 m 转子的齿数 z 通电方式 k 可以用下 式表示 360 z m k 3 2 33 2 3 伺服电动机的选用伺服电动机的选用 伺服电动机是一种用脉冲信号控制的电动机 在动载能力及动态特性范围内电动机 的角位移与控制脉冲数成正比 转速与控制脉冲频率成反比 在通常情况下 用伺服电 动机作执行元件的数控系统中不需进行 A D 或 D A 转换 且可以采用较为简单的开环控 制系统进行工作 因此 在数控的进给系统中广泛采用 选用伺服电动机时 通常希望伺服电动机的输出转矩大 启动频率和运行频率大 步距误差小 但是 增大转矩和快速运行存在一定的矛盾 高性能与低成本相矛盾 因 此 在选用伺服电动机时 需要考虑各方面的因素 首先要保证机床的定位精度 而脉冲当量直接影响到机床的定位精度 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 为了兼顾精度与速度的要求 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 以此为依据选择伺 服电动机的步矩角和传动机械的传动比 伺服电动机有两条重要的特性曲线 一条是反映启动频率和负载转矩关系的启动频 矩特性曲线 一条是反映转距与连续运行频率之间关系的工作矩频特性曲线 这两条曲 线是选用伺服电动机的重要依据 数控机床的进给分为快速进给和切削进给 快速进给 速度远远大于切削进给的速度 在这两种情况下 对转矩和进给速度要不同的要求 选 择伺服电动机时应使这两种情况都能满足要求 假设在切削进给时转矩为 Me 其最大切削速度为 Vmax 在快速进给时间的转矩为 Mk 其最大快速进给速度为 Vmax1 将 Vmax Vmax1 分别带入下式中的 V 可以分别求到 切削进给时的最大工作频率 fe 和快速进给时的最大工作频率 fk F 1000V 60 10 式中 V 进给速度 m min 脉冲当量 mm 脉冲 F 伺服电动机工作频率 Hz 根据 fe fk 从工作矩频特性曲线中查出对应的极限转矩值 Mdme 若有 Me Mdme 和 Mk Mdmk 表明伺服电动机满足要求 否则不满足要求 需重新选择电动 机 3 33 3 丝杠螺母副丝杠螺母副 3 3 13 3 1 滚珠丝杠副传动部件滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副是在具有螺旋槽的丝杠和螺旋母之间装有滚珠 是 螺旋传动机构的一种 其作用是将旋转运动变为直线运动或将直线运动转换为旋转运动 卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠 即丝杠与螺母之间的滑动摩擦 因此滑动丝杠 螺母副的摩擦大 转动效率低 在精度要求不高的情况下 可以采用原机床的滑动丝杠 但是 螺母要适当预紧 同时配合数控系统软件间隙补偿消除丝杠与螺母之间的间隙 若要求机床精度和被加工工件精度较高的情况应将原机床的滑动丝杠螺母副改换成滚珠 丝杠螺母副 其工作原理图如图 3 1 所示 1 2 3 4 图 3 1 滚珠丝杠螺母机构工作原理图 1 丝杠 2 反向器 3 滚珠 4 螺母 滚珠丝杠螺母副是在丝杠和螺母之间放入适当数量的滚珠 靠滚珠的滚动将丝杠的 回转运动转化为螺母的直线运动 由于丝杠和螺母之间为滚动摩擦 所以滚珠丝杠螺母 副的摩擦小 转动销路和转动精度都远远高于滑动丝杠螺母副 特别要求机械机构的传 动间隙小 摩擦阻力小 为此设计和选用机械动机构时 必须考虑以下几个方面的问题 1 减小摩擦阻力 为了提高数控机床的进给系统的快速响应特性 除了对伺服元件 做出要求外 还必须减小运动件的摩擦阻力和动静摩擦里之差 机械传动结构的摩擦阻 力 主要来自丝杠螺母副的导轨 在数控机床进给系统中 为了减少摩擦阻力 普遍采 用滚珠丝杠螺母副 2 提高传动精度和刚度 消除传动间隙 进给传动系统的传动精度和刚度 主要取 决于丝杠螺母副及其支撑机构的刚度 传动间隙主要采源于传动齿轮副 蜗轮副 联轴 11 副 丝杠螺母副及其支撑部件之间 应施加于今力和采取间隙的结构措施 3 减小运动惯量 传动元件的惯量对伺服机构的起动和制动特性都有影向 尤其是 处于运转的零件 其惯性的影响更大 因此在满足部件强度和刚度的前提下 尽可能减 小执行部件的重量 减小旋转部件的直径和重量 以减小运动部件的惯量 3 3 23 3 2 滚珠丝杠副的原理 特点及有关应用中的问题滚珠丝杠副的原理 特点及有关应用中的问题 在丝杠和螺母上都有半圆弧行的螺行槽 当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋 滚道 螺母上有滚珠回路管道 将儿圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道 并在滚道内装满滚珠 当丝杠旋转时 滚珠在轨道内既有自转又沿轨道循环转动 迫使 螺母 或丝杠 轴向移动 滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦 它有以下特点 1 摩擦损失小 传动效率高 可达 90 96 2 采用双螺母预紧后 可以很好的消除间隙 提高了传动刚度 3 摩擦阻力小 动摩擦力之差极小 能保证运动平稳 易产生低速现象 磨损小 寿 命长 精度保持性好 不能自锁 有可逆性 既能将旋转运动转变为直线运动 或将直 线运动转换为旋转运动 因此丝杠立式使用时 应增加制动装置 4 运动速度受一定的限制 传动速度过高时 滚珠在其回路管道内易产生卡现象 5 给与适当预紧 可消除丝杠和螺母的螺纹间隙 反向时就可以消除空程死区 定位 精度高 刚性好 6 运动不平稳 无爬行现象 传动进度高 7 有可逆性 可以旋转运动转换为直线运动 也可以从直线运动转换为旋转运动 即 螺母和丝杠都可以作为主运动件 3 3 33 3 3 滚珠丝杠副的支撑滚珠丝杠副的支撑 螺母座 丝杠的轴承及其支架等刚度不足将严重影响滚珠丝杠副的传动刚度 因此 螺母座应有加强筋 以减少受力后的变形 螺母与床身的接触面积应大一些 其连接螺 钉的刚度也应高 滚珠丝杠常用推力轴承支撑 以提高刚度 当滚珠丝杠的轴向负载很小时 也可以 用角接触轴承支撑 在机床上的安装支撑方式有 一端装推力球轴承 另一端装向心球 轴承 两端装推力轴承 两端装推力轴承及向心球轴承 1 滚珠丝杠副的轴向间隙调整 常用的双螺母丝杠消除间隙方法有 垫片调隙式 螺纹调隙式 齿差调隙式 本设 计中采用螺纹调隙式 螺母一端有凸缘 而另一端是螺纹结构 用两个圆螺母把垫片压 在螺母座上 左右螺母和螺母座上加工有键槽 采用平键连接 使螺母在螺母座内可以 轴向滑移而不能相对转动 调整时 只要拧紧圆螺母使落幕向一边滑动 就可以改变两 螺母的间距 即可消除间隙并产生预紧力 另一螺母为锁紧螺母 调整完毕后将两个螺 母并紧 可以防止在工作中螺母松动 这种调整方式具有结构简单 工作可靠 调整方 便的优点 但调整预紧量不能控制 2 滚珠丝杠的循环方式 常用的循环方式有两种 滚珠在滚动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 内循环如图 3 2 所示 12 1 2 34 图 3 2 滚珠的内循环结构图 1 丝杠 2 反向器 3 螺母 4 滚珠 外循环如图 3 3 所示 1 2345 6 7 8 图 3 3 滚珠的外循环结构图 1 丝杠 2 螺母 3 螺母座 4 圆螺母 5 圆螺母 6 垫圈 7 方键 8 滚珠 3 滚珠丝杠副的选用 目前我国滚珠丝杠螺母副的精度标准为四级 普通级 A 标准级 B 精密度级 J 和 超精度级 C 一般的数控机床可选用标准级 B 滚珠丝杠副的支撑和制动方式 为提高传动刚度 不仅应合理确定滚珠丝杠螺母副的参数 而且螺母座的结构 丝 杠两端的支撑形式以及它们与机床的连接刚度也有很大影响 因此螺母座的孔与螺母之 间必须有良好的配合 保证孔与端面的垂直度 螺母座应增添钢筋 加大螺母座和机床 结合面的接触面积 来提高螺母座的局部刚度 为了提高螺母支撑的轴向刚度 选择适 当的滚动轴承及其支承方式是十分重要的 常用的支承方式有以下几种 1 一端装上推力轴承 这种安装方式的承载能力小 轴向刚度低 仅适用于短丝杠 如数控机床的调整环 节或升降环节或数控铣床的垂直坐标系 13 2 一端装上推力轴承 一端装上向心轴承 滚动丝杠较长时 一端装上推力轴承 另一端装上向心轴承 为了减少丝杠热变形的影 响 止推轴承的安装应远离热源及丝杠的常用端 3 两端装止推轴承 这种安装方式对热伸长较为敏感 4 两端装止推轴承和装向心轴承 这种结构方式可使丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力 但设计时要注意提高止 推轴承的承载能力和支架刚度 滚珠丝杠副的传动效率很高 但不能自锁 用在垂直传动和水平放置的高速大惯量 传动中 必须有制动装置 常用的制动方法有超越离合器 电磁离合器或者使用具有制 动装置的伺服电动机 滚珠丝杠必须采用润滑油或锂基油脂进行润滑 同时要采用防尘密封装置 4 滚珠丝杠副的润滑与防护 使用润滑剂可以提高滚珠丝杠的耐磨性和传动效率 润滑剂可用 20 号或 30 号机械 油 90 180 号透平油或 140 号主轴油 可从螺母壳体的油孔 如装配图中所示 注入螺 母内的空间 丝杠预紧后 轴向间隙减小 当硬质灰或切削等污物落入螺纹轨道内 就会妨碍滚 珠的运转 并加快磨损 因此必须有防护装置 常用的防护装置有 密封圈和防护罩 防护罩的形式有锥形套管 伸缩套管和折叠式的塑料或人造革防护罩等 对防护材料的 性能要求 耐油 耐腐蚀 耐高温和耐用等 纵向滚珠丝杠 横向滚珠丝杠 横向滚珠丝杠也采用三点支承形式 步进电动机一般都安装在床鞍的后部 近操作 者一端 布置一根短轴 通过一个联轴套与滚珠丝杠联接起来 利用车床原横向进给丝 杠的滑动轴套作为径向支承 并对原支承处进行适当改装 布置一对推力球轴承 以实 现轴向支承 在远离操作者一端 用一个联接轴和一根联接短轴把滚珠丝杠与减速箱输 出轴联接起来 滚珠螺母直接固定在中滑板上 车床传动在其横向支承机构如图 3 4 所 示 图 3 4 横向支承结构图 采用的是一端装推力球轴承 另一端装向心球轴承其示意图如图 3 5 所示 14 图 3 5 车床横向支承轴承示意图 3 3 43 3 4 安装调整中应注意的问题安装调整中应注意的问题 利用螺母的间隙调整装置调整丝杠副间隙时 应使调整后产生的预紧力为丝杠副最大 负载的 1 3 为宜 在实际调整中 可以把车床处于最大工作负载 使丝杠内部仍不产生 间隙 或者间隙量小于 0 01mm 而且运转灵活 并以此作为螺母间隙调整预紧量的判断 标准 传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔应按十字分布方式进行配作 这是因为同一联轴 套上分布的锥销孔都由同一方向加工时 往往会引起轴心线的直线度误差增大 从而使 安装在传动丝杠上各零件间的同轴度误差增大 产生传动附加载荷 影响丝杠副的传动 性能 消除齿轮间隙的方法很多 用调整中心距的方法是最简单的一种 安装时将大齿轮所 在支承架转动中心与丝杠对中 首先固定 然后把电动机小齿轮按无间隙齿合 调整好 中心距 再固定 滚珠丝杠副的制造精度要求高 加工工艺比较复杂 都是由专业化工厂按系列化进 行生产 因此 在进行设备改造时 要按厂家生产标准进行选择 选择合适以后 在决 定被改造设备的其它相关部分的结构和尺寸 主轴脉冲发生器的引出轴与车床主轴按 1 1 无间隙柔性连接传动 连接后应保证两者有很好的同步性 安装中要注意主轴脉冲 发生器是玻璃器件 不能随意敲打碰撞 使用中车床主轴转速不能超过主轴脉冲发生器 的最高转速 3 43 4C6140C6140车床数控化改造机械部分改造设计与计算车床数控化改造机械部分改造设计与计算 机械部分设计内容包括 传动元件的设计计算及选用 运动部件的惯性计算 伺服电 动机的选择等 3 4 13 4 1 纵向进给系统的设计纵向进给系统的设计 已知条件 工作台重量 W 80kgf 800N 加速时间常数 t 25 ms 滚珠丝杠基本导程 L0 6 mm 快速进给速度 max 2m min 切削力计算 由 机床设计手册 可知 切削功率 Pc P 式中 P 电动机功率 kW C6132 型车床 P 4kW 15 主传动系统总效率 一般为 0 75 0 85 取 0 8 进给系统功率系数 取 0 96 则 Pc 4 0 8 0 96kW 3 072kW 切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力 或扭矩 和最大切削速度 或 转速 来计算 即 Pc Fz 10 3 60 或 Pc Tn 9550 式中 FZ 主切削力 N 切削速度 m min T 切削转矩 N m n 主轴转速 r min 设按最大切削速度来计算 取 100m min 则 Fz 60 Pc 103 60 3 072 10 3 100N 1843 2N 查 机床设计手册 在一般外圆车削时 Fx 0 1 0 55 FZ FX 0 15 0 65 FZ 取 Fx 0 5FZ 0 5 1843 2N 921 6N Fy 0 6FZ 0 6 1843 2N 1105 92N 纵向滚珠丝杠设计计算 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 计算作用在丝杠上的最大动载荷 FQ 首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给力 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 FQ FQ L1 3fwfhFP 式中 FQ 最大动载荷 N FP 工作负载 N 指数控机床工作时实际作用在滚珠丝杠上的轴向力 fw 运转系数 一般运转 fw取 1 2 1 5 有冲击的运转 fw取 1 5 2 5 fh 硬度系数 HRC 为 60 时 fh为 1 HRC 1 L 寿命 以 106转为单位 1 如 1 5 则为 150 万转 寿命 L 可按下式计算 L 60nT 106 式中 n 滚珠丝杠的转速 r min T 使用寿命时间 9h 数控机床 T 取 15000h 工作负载的数值可用 机床设计手册 中进给牵引力的实验公式计算 对于三角形或综合 导轨 Fp kFX f Fz W 式中 Fz FX 切削分力 W 移动部件的重量 800N k 考虑颠覆力矩影响的系数 k 1 15 f 导轨上的摩擦系数 f 0 15 0 8 取 f 0 16 则 Fp 1 15 982 6 0 16 1843 2 800 N 1482 752N 当机床以线速度 100m min 进给量为 f 0 3mm r 车削直径为 D 80mm 的外圆时丝杠的 转速 n f103 DL0 100 0 3 103 3 14 82 6 r min 19 9r min 则 L 60nT 106 60 19 9 15000 106万转 17 91 万转 根据工作负载 Fp 寿命 L 计算出滚珠丝杠副承受的最大动载荷 取 fw 1 2 fh 1 FQ L1 3fwfhFP 17 911 3 1 2 1482 752N 4655 3N 16 由 F0查滚珠丝杠的产品样本和 机床设计手册 选择丝杠的型号 例如参照某厂滚珠丝 杠的产品样本 选择滚珠丝杠的直径为 32mm 型号为 N4006 3 其额定动载荷是 16672N 其 强度足够用 效率计算 根据 机械原理 的公式 丝杠螺母副的传动效率 为 tan tan 式中 螺纹的螺旋升角 该丝杠为 2 44 摩擦角 约等于 10 则 tan2 44 tan 2 44 10 0 942 刚度验算 滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用 它将引起导程 L 发生变化 因滚珠丝 杠受扭时引起的导程变化量很小 可忽略不计 因此 工作负载引起的导程变化量 L cm L FL ES 式中 E 弹性模量 对钢 E 20 6 106N cm2 S 滚珠丝杠截面积 按丝杠螺纹底经确定 d 3 46cm S 4 3 462 9 397cm2 用于拉伸时 用于压缩时 则 L 1482 752 0 6 20 6 106 9 397 cm 4 6 10 6cm 丝杠 1cm 长度上导程变形总误差 L 总 L 总 100 L L 100 0 6 4 6 10 6 m m 7 66 m m 3 级精度丝杠允许的螺距误差为 15 m m 因此刚度足够 3 步进电动机的选择 负载传动惯量的计算 折算伺服电动机轴上的转动惯量可按下式估算 JF J1 J2 W g 180 2 式中 JF 折算到电动机轴上的转动惯量 kg cm2 J1 联轴器转动惯量 1 8kg cm2 J2 丝杠的转动惯量 kg cm2 对材料为钢的圆柱形零件 其转动惯量可按下式计算 J 7 8 10 4D4L 式中 D 圆柱零件的直径 cm L 零件轴向长度 cm 所以 J2 7 8 10 4 4 04 140 kg cm2 27 95 kg cm2 JI 800 182 9 8 180 0 01 3 14 0 75 2 0 299kg cm2 总惯量 JF 1 8 27 95 0 299 kg cm2 30 kg cm2 负载转矩计算及最大静矩选择 根据能量守恒原理 电动机等效负载转矩 TF FPL0 10 3 2 0 1482 752 6 10 3 2 0 953 1 47N m 如不考虑起动时运动部件惯性的影响 则起动转矩 Tq TF 0 3 0 5 取安全系数为 0 3 则 Tq1 47 0 3N m 4 9N m 因数控机床对动态性能要求较高 确定电动机最大静转矩时因满足快速空载起动时所需 转矩 T 的要求 T Tamax Tf T0 17 式中 Tamax 空载快速起动时所需的转矩 N m Tf 克服摩擦所需的转矩 N m T0 丝杠预紧所引起 折算到电动机轴上的附加转矩 N m 当工作台快速移动时 电动机的转速 n nmax maxi L0 2000 6 r min 333 3r min 由动力学知 Tamax JF 式中 角加速度 计算公式为 n 30t Tamax JF 30 10 4 3 14 333 3 30 0 025 N m 4 18 N m Tf Wf L0 10 3 2 0 800 0 16 6 10 3 2 0 942 N m 0 1298 N m T0 F0L0 10 3 2 0 494 25 6 10 3 2 0 942 N m 0 501 N m 式中 F0 预加载荷 一般为最大轴向载荷的 1 3 即 Fp 3 则 T Tamax Tf T0 4 18 0 1298 0 501 N m 4 8N m 步进电动机的最高工作频率 fmax 1000 max 60 1000 2 60 0 01 Hz 3333 33Hz 根据 上册的公式 丝杠的最小处直径 d 32T 180 2 G 1 4 式中 d 丝杠最小直径 G 剪切弹性模型 80 84GPa 取 G 82GPa 丝杠许用扭角 0 25 0 50 m 取 0 4 m d 32 4 8 103 180 3 142 82 103 0 4 10 3 1 4 17 1mm 根据计算综合考虑 查表选用 AC200 30 型步进电动机 3 4 23 4 2 横向进给系统的计算横向进给系统的计算 已知条件 工作台重量 W 30kgf 300N 时间常数 t 25ms 滚珠丝杠基本导程 L0 4mm 左旋 快速进给速度 max 1m min 1 计算作用在丝杠上的最大动负载荷 FQ FQ L1 3fwfhFP 式中 FQ 最大动载荷 N FP 工作负载 N 指数控机床工作时实际作用在滚珠丝杠上的轴向力 fw 运转系数 一般运转 fw取 1 2 1 5 有冲击的运转 fw取 1 5 2 5 fh 硬度系数 HRC 为 60 时 fh为 1 HRC 1 L 寿命 以 106转为单位 1 如 1 5 则为 150 万转 寿命 L 可按下式计算 L 60nT 106 式中 n 滚珠丝杠的转速 r min T 使用寿命时间 9h 数控机床 T 取 15000h 工作负载的数值可用 机床设计手册 中进给牵引力的实验公式计算 对于三角形或综合 导轨 Fp kFX f Fz W 式中 Fz FX 切削分力 W 移动部件的重量 800N 18 k 考虑颠覆力矩影响的系数 k 1 15 f 导轨上的摩擦系数 f 0 15 0 8 取 f 0 16 则 Fp 1 15 1105 92 0 16 1843 2 300 N 1402 752N 当机床以线速度 100m min 进给量为 f 0 15mm r 车削直径为 D 80mm 的外圆时丝 杠的转速 n f103 DL0 100 0 15 10 3 3 14 80 6 r min 9 95r min 则 L 60nT 106 60 9 95 15000 106万转 8 955 万转 根据工作负载 Fp 寿命 L 计算出滚珠丝杠副承受的最大动载荷 取 fw 1 2 fh 1 FQ L1 3fwfhFP 8 9951 3 1 2 1402 752N 3495 56N 由 F0查滚珠丝杠的产品样本和 机床设计手册 选择丝杠的型号 例如参照某厂滚珠丝 杠的产品样本 选择滚珠丝杠的直径为 32mm 型号为 N3204LH 3 其额定动载荷是 6766N 其 强度足够用 效率计算 根据 机械原理 的公式 丝杠螺母副的传动效率 为 tan tan 式中 螺纹的螺旋升角 该丝杠为 2 16 摩擦角 约等于 10 则 tan2 16 tan 2 16 10 0 932 刚度验算 滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用 它将引起导程 L 发生变化 因滚珠丝 杠受扭时引起的导程变化量很小 可忽略不计 因此 工作负载引起的导程变化量 L cm L FpL0 ES 式中 E 弹性模量 对钢 E 20 6 106N cm2 S 滚珠丝杠截面积 按丝杠螺纹底经确定 d2 2 77cm S 4 2 772 6 023cm2 用于拉伸时 用于压缩时 则 L 1402 752 0 4 20 6 106 6 023 cm 4 52 10 6cm 丝杠 1cm 长度上导程变形总误差 L 总 L 总 100 L0 L 100 0 5 4 52 10 6 m m 9 04 m m 3 级精度丝杠允许的螺距误差为 15 m m 因此刚度足够 3 伺服电动机的选择 负载传动惯量的计算 JF J1 J2 W g 180 2 式中 JF 折算到电动机轴上的转动惯量 kg cm2 J1 联轴器转动惯量 1 8kg cm2 J2 丝杠的转动惯量 kg cm2 对材料为钢的圆柱形零件 其转动惯量可按下式计算 J 7 8 10 4D4L 式中 D 圆柱零件的直径 cm L 零件轴向长度 cm 所以 J2 7 8 10 4 3 24 100 kg cm2 11 45kg cm2 JI 800 182 9 8 180 0 01 3 14 0 75 2 0 299kg cm2 总惯量 JF 1 8 11 45 0 299 kg cm2 13 549 kg cm2 负载转矩计算及最大静矩选择 19 根据能量守恒原理 电动机等效负载转矩 TF FPL0 10 3 2 0 1402 752 4 10 3 2 0 932 0 958N m 如不考虑起动时运动部件惯性的影响 则起动转矩 Tq TF 0 3 0 5 取安全系数为 0 3 则 Tq 0 958 0 3N m 3 195N m 因数控机床对动态性能要求较高 确定电动机最大静转矩时因满足快速空载起动时所需 转矩 T 的要求 T Tamax Tf T0 式中 Tamax 空载快速起动时所需的转矩 N m Tf 克服摩擦所需的转矩 N m T0 丝杠预紧所引起 折算到电动机轴上的附加转矩 N m 当工作台快速移动时 电动机的转速 n nmax maxi L0 2000 4 r min 500r min 由动力学知 Tamax JF 式中 角加速度 计算公式为 n 30t Tamax JF 13 549 10 4 3 14 500 30 0 025 N m 2 836 N m Tf Wf L0 10 3 2 0 300 0 16 4 10 3 2 0 932 N m 0 0328 N m T0 F0L0 10 3 2 0 467 584 4 10 3 2 0 932 N m 0 3195 N m 式中 F0 预加载荷 一般为最大轴向载荷的 1 3 即 Fp 3 则 T Tamax Tf T0 2 836 0 0328 0 3195 N m 3 1883N m 伺服电动机的最高工作频率 fmax 1000 max 60 1000 1 60 0 005 Hz 3333 33Hz 根据 上册的公式 丝杠的最小处直径 d 32T 180 2 G 1 4 式中 d 丝杠最小直径 G 剪切弹性模型 80 84GPa 取 G 82GPa 丝杠许用扭角 0 25 0 50 m 取 0 4 m d 32 3 1883 103 180 3 14 82 103 0 4 10 3 1 4 15 4mm 根据计算综合考虑 查表选用 AC200 30 型步进电动机 3 53 5 主传动系统的设计主传动系统的设计 3 5 13 5 1 主传动系统的改造主传动系统的改造 为了适应不同的加工要求 目前主传动系统的改造大致分为二类 1 二级以上变速的主传动系统 变速装置多采用齿轮变速机构 如图 3 6 所示是使用滑移齿轮要实现二级变速的主 传动系统图 这种改造能够满足各种切削运动的转矩输出 且具有大范围调节速度的能 力 20 图 3 6 齿轮二级变速主传动系统图 2 一级变速的主传动系统 目前多采用带 同步齿形带 传动装置 如图 3 7 所示 这种主传动系统能够满足 转速与转矩的输出要求 可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声 图 3 7 齿轮一级变速主传动系统图 3 5 23 5 2 主运动系统转速图的设计主运动系统转速图的设计 鉴于设计任务 在主运动传动连中 基本借鉴原机床传动系统的结构和数据 该机 床的运动采用分离式传动 即变速箱与床头箱相分离 采用皮带轮联系 变速箱实现四 级变速 床头箱实现四级变速 主运动传动系统的动力源是笼型异步电动机 即 Y 系列 电动机 其额定功率为 8 千瓦 满载转速为 1450 转 分 变速系统采用 2 个滑移齿轮和 2 个双向离合器实现 18 级变速 3 5 33 5 3 主轴的变速反转和制动主轴的变速反转和制动 床头箱主要由主轴部件和背轮机构组成 运动从边速箱经三角胶带传至床头箱 若 脱开内齿离合器 接通背轮机构 则主轴得到 9 级低速 若使背轮机构脱开 合上内齿 离合器 直接传至主轴则获得 9 级高速 主轴的正反转只有用改变主电机转向的方法才 可以实现 停车时为克服旋转件的惯性采用液压摩擦制动器使主轴迅速停转 3 5 4 主轴脉冲发生器的安装方式 改造后的数控车床要实现螺纹加工 还需要配置主轴脉冲发生器作为车床主轴信号 的反馈元件 它与车床主轴同步运行 发生主轴转角位的变化 输入到数控系统的内部 由系统通过软件控制 以保证主轴每转一转时 螺纹车刀也同步进给一个螺纹导程 并 保证螺纹加工中分几次加工时不发生乱扣 即每次螺纹加工时进刀位置保持一致 主轴 脉冲发生器的安装如图所示 主轴脉冲发生器的安装图如图 3 8 所示 21 图 3 8 主轴脉冲发生器安装图 为了可以加工穿出主轴的零件采用异轴安装 主轴脉冲发生器一般采用增量式光电 编码器 传动连接 为了避免主轴脉冲发生器光栅的破坏 在不加工螺纹时将其与传动 轴脱离 柔性连接即车床主轴与主轴脉冲发生器间用弹性元件连接 采用柔性连接 在 实现角位移传递的同时 有能吸收车床主轴的部分振动 从而使得车床主轴脉冲发生器 转动平稳 传递信号准确 车床的主轴转速必须小于主轴脉冲发生器的最高允许转速 以免损坏脉冲发生器 3 5 43 5 4 控制类型的确定控制类型的确定 目前直接制造的数控机床大多采用闭环系统 此系统有检测反馈装置 定位精度高 可以达到 0 005mm 以上 但结构复杂 集成化要求高 成本高 调整和维修困难 采用 开环系统 其加工精度有执行元件和传动机构精度保证 定位精度可以达到 0 01mm 少数 可以达到 0 005mm 结构简单 维修方便 3 5 53 5 5 安装电动卡盘安装电动卡盘 为了提高经济型数控车床的加工效率 还可以考虑采用电动三爪自定心卡盘装置 这 种装置也可与数控装置的收发信号电路相配合 实现其自动夹紧 松开 提高加工过程 的自动化程度 3 5 63 5 6 传动方面改造设计传动方面改造设计 为了适应各种不同材料的加工及各种不同加工方法 要求改造后的 C6132 机床的主传 动系统要有较宽的转速范围及相应的输出力矩 此外 由于主轴部件将直接装夹刀具对 工件进行切削 因而对加工质量及刀具寿命有很大的影响 所以对主传动系统的要求很 高 为了能高效的加工出高精度 低粗糙度的工件 必须要有一个具有良好性能的主传 动系统和一个具有高精度 高刚度 振动小 热变形和噪声均能满足需要的主轴部件 1 伺服系统的选择以及数控机床对伺服驱动系统的要求 数控机床的性能在很大的程度上取决于伺服驱动系统的性能 对伺服驱动系统的主 要要求如下 进给调速范围要宽 调速范围 Rn 是指机床要求伺服电动机提供的最高转速 Nmax 和最低转速 Nmin 之比 即 Rn Nmax Nmin 在各种数控机床中 由于加工选用刀具 被加工的材料及零件加工要求的不同 为保证 22 在任何情况下都得到最佳切削条件 就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范脉冲当量 为 l 的情况下 最先进的数控机床的进给速度从 0 24 m s 连续可调 但对于一般的数 控机床 要求进给驱动系统在 0 24m s 进给速度下工作就足够了 置精度要高使用数控机床主要是为了解决 1 保证加工质量的稳定性 一致性 减少废品率 2 解决复杂曲面零件的加工问题 3 解决复杂零件的加工精度问题 缩短制造周期等 为了满足这些要求 关键之一是保证数控机床的定位精度和加工精度 数控机床在 加工免除了操作者的人为误差 他是按规定的程序自动进行加工 不可能应付事先没有 预料到的情况 就是说 数控机床不能像普通机床那样 可随时用手动操作来调整和补 偿各种因素对加工精度的影响 因此 要求定位精度和轮廓切削精度能达到数控机床要 求的指标 为此 在位置控制要求高的定位精度 如 l 甚至 0