CA6140车床经济型数控改造.doc

徐州师范大学本科生毕业设计 CA6140车床经济型数控改造 CA6140车床经济型数控改造摘要:了解数控机床的概念，所谓数字控制是按照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多,可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需要很多资金。为了解决这个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座,配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾,不占据丝杠空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠,由步进电机带动。总体设计方案:CA6140车床主轴转速部分保留圆机床的手动变速功能。车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动。最后,根据已知条件对纵向横向伺服进给机构进行设计与计算。关键词:数控、车床、改造Abstract:Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automaticallu in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the vertical mechanism: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. The overall master design: the spindles gearshift of the CA6140 mechanism controlled by the former operating lever. The moving of the vertical table and the horizontal table is drove by the ball screw, which is drove by the Stepper motors. The last, we design the vertical and horizontal mechanism on the basis of known numbers.Key word: Numerical Control、 machining、 information 前 言 数控机床经济型改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。 本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造,以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短,传动件数减少,从而提高机床的精度。 设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。 随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。 第一章数控机床的基本知识 一. 数控机床的基本概念 数控机床是由普通机床发展而来,它们之间最明显的区别是数控机床可以按事先编制的程序自动地对工件加工,而普通机床的整个加工过程必须通过技术工人的手工操作来完成。 数控机床又称数字控制机床,是相对于模拟控制而言的。在数字控制系统中所处理的信息的最主要离散的数字量，而不像模拟控制系统那样主要处理一些连续的模拟量。早期的数字控制系统是采用数字逻辑电路联结而成的，而目前则是采用了计算机的计算机数空系统,即CNC。机床数控技术就是以数字化的信息实现机床的自动控制的一门技术。其中,刀具与工件的运动轨迹的自动控制,刀具与工件相对运动的速度自动控制是机床数字控制的最主要的控制内容。 数控机床工作前，要预先根据工件要求,确定工件加工工艺过程、工艺参数,并按一定的规则形成数控系统能理解的数控加工程序。即:将工件的几何信息和工艺信息数字化,按规定的代码和格式编制成数控加工程序。然后用适当的方式将数控加工程序输入到数控机床的数控装置中,这样便可起动机床运行数控加工程序。在运行数控加工程序的过程中,数控装置会根据数控加工程序的内容发出各种控制命令,如起动主轴电动机、开切削液、进行刀具轨迹计算,同时向特殊的执行单元发出数字位移脉冲并进行进给速度控制,正常情况下 直到程序进行结束,工件加工完毕为止。二. 国内外数控机床发展概况 1952年美国帕森斯公司和麻省理工学院伺服机构实验室合作研制成功世界上第一台三坐标数控立式铣床,用它来加工直升飞机叶片轮廓检查研样扳。这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床,专用计算机采用电子管元件,逻辑运算与控制采用硬件联结的电路。 1955年，该类机床进入实用化阶段,在复杂曲面的加工中发挥了重要作用,这就是第一代数控系统。从那时起40多年来，随着自动控制技术、微电子技术、计算机技术、精密测量技术及机械制造技术的发展，数控机床得到了迅速发展，不断地更新换代。 1959年,晶体管元件问世,数控系统中广泛采用晶体管和印制板电路,从此数控系统跨入第二代。 1965年，出现了小规模集成电路,由于其体积小，功耗低,使数控系统的可靠性得到进一步提高,数控系统从而发展到第三代。 以上三代数控机床的控制系统均为硬接线数控系统,称为普通数控系统,即NC系统。 由于当时控制计算机的价格十分昂贵,为了提高系统的性能价格比,出现了用一台计算机控制多台机床插补运算的直接数控系统,即DNC系统。由于计算机负担较重,系统可靠性和实用性均较差。 随着计算机技术的发展，出现了小型计算机代替专用硬接线装置,以控制软件实现数控功能的计算机数控系统，即CNC系统，使数控机床进入第四代。 1970年前后，美国英特尔公司首先开发和使用了4位微处理器,1974年美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。由于中、大规模集成电路的集成度和可靠性高、价格低廉,所以微处理器数控系统得到了广泛的应用。这就是微机数控系统，即MNC系统，从而使数控机床进入第五代。 现代数控机床为了进一步扩展功能，增强实时控制能力和可靠性，常采用多微处理器结构,由多个微处理器构成功能模块,各功能模块之间的互连与通信,或采用共享总线结构，或采用共享存储器结构。 我国是从1958年开始研制数控机床的,到20世纪60年代末70年代初,已经研制出一些晶体管式的数控系统，并用于生产。但由于历史的原因，一直没有取得实质性的成果。数控机床的品种和数量都很少,稳定性和可靠性也比较差,只在一些复杂的、特殊的零件加工中使用。 直到20世纪80年代,我国先后从日本、德国、美国等国家引进一些先进CNC装置及主轴、伺服系统的生产技术，并陆续投入了生产。这些数控系统性能比较完善，稳定性和可靠性都比较好，在数控机床上采用后,得到了用户的认可，结束了我国数控机床发展徘徊不前的局面,使我国数控机床在质量、性能及水平上有了一个飞跃。到1985年，我国数控机床的品种累计80多种,数控机床进入实用阶段。 1986年至1990年期间，是我国数控机床大发展的时期。在此期间，通过实施国家重点科技攻关项目“柔性制造系统技术及设备开发研究”,以及重点科技开发项目“数控机床引进技术消化吸收”等，推进了我国数控机床的发展。 1991年以来,一方面从日本、德国、美国等国家购进数控系统，另一方面积极开发、设计、制造具有自主版权的中、高档数控系统,并且取得了可喜的成果。我国的数控产品已覆盖了车、铣、镗铣、钻、磨、加工中心及齿轮机床、折弯机、火焰切割机、柔性制造单元等，品种达300多种。中、抵挡数控系统已达到小批量生产能力。 机床的数控化率是标志一个国家机床工业和机械制造业水平的一个重要指标。数控机床不断发展与完善的目的在于扩大使用范围、提高工作可靠性和数控精度、降低成本以及便于使用维修等。20世纪末,随着数控技术的不断完善和数控加工的广泛应用，不仅使数控机床的自动诊断和自动编程系统有了很大发展，而且也出现了各种新型的数控系统,其中主要的几个发展动向是: 1.小型计算机数控(CNC) 小型计算机数控就是用一台小型通用计算机代替原来数控装置中的电路完成数控功能。为了使小型计算机具有规定的数控功能，必须预先为其编制程序，并将它储存到内存储器中，称此为“系统程序”。系统程序一经输入，小型计算机的控制逻辑即被确定。改变系统程序，就是改变其数控功能。这里须指出的是系统程序与用来控制机床的加工的“零件程序”不同，系统程序决定小型计算机中固定的工作逻辑，零件程序则决定机床的运动指令。 2危机数控系统(MNC) 目前微机数控系统逐渐取代NC系统和CNC系统。由于微机体积小,内存容量大,可充分利用软件设计扩大其使用性能。一般MNC均兼有穿孔纸带和键盘输入,在只读存储器中固化有大量典型的循环子程序可供调用,以减轻编程工作量。全功能MNC系统均备有荧光屏显示,显示编程、加工执行程序的情况。该系统还能对微机各组成部分如输入装置、伺服放大装置等进行监控,当出现故障时,则自动停车、报警及故障显示,根据显示的代码便能容易地找出故障的位置与原因。 3.经济型数控(ENC) 经济型数控又称简易数控,是根据生产需要而制造的功能比较单一、系统比较简单、价格低廉的一种简易数控系统,主要是针对普通机床的改造。这类数控机床结构小巧、工作可靠、操作方便、易用于成批生产、加工形状较简单的零件。由于它特别适用于普通机床的改造,所以目前我国正大力推广这种经济型数控系统,即采用单板机或单片机作控制机,用键盘输入,具有直线和圆弧插补、刀具补偿、螺纹切削、单一固定循环选择等功能,伺服电动机一般采用功率步进电动机。国外的简易数控几乎都采用了微机处理器,操作者可以直接利用操作板上的数码按键,把加工数据输入到内存储器中,加工时则从存储器中取出数据。这种简易数控的工作方法基本上与CNC一样,但系统和功能要简单的多。 4.自动换刀数控系统(MC) 自动换刀系统也称加工中心(Machining Center ,简称MC),如图0-2所示,是一种能实现多工序加工的数控系统。这类系统控制的机床一般配有机械手和刀库(可存放16-100把刀具),工件经一次装夹,数控系统就能控制机床自动地更换刀具,连续对工件的各个加工面自动的完成铣削、镗削、铰孔、扩孔及攻螺纹等多工序加工。 5.自适应控制系统(AC) 自适应控制系统(Adaptive Control,简称AC)是20世纪60年代末发展起来的高精度、高效益的数控系统,目前有的MNC系统兼有AC功能。数控机床一般是按预先编好的程序进行控制,但随机因素难以预测,如毛坯余量和硬度的不均匀,刀具的磨损等。为了确保质量,势必在编程时采用较保守的切削用量,从而降低了加工效率。AC系统可对机床主轴转速、功率、切削力、切削温度、刀具磨损等参数值进行自动检测,并由中央处理单元(Central Processing Unit,简称CPU)进行比较运算后,发出修改主轴转速和进给量大小的信号,确保AC处于最佳切削用量状态,从而在保证质量条件下使加工成本最低或生产率最高。AC系统主要在宇航等工业部门用于特种材料的加工。 6.计算机群控(DNC) 计算机群控是用一台大型通用计算机为数台数控机床进行自动编程,并直接控制一群数控机床的系统。根据机床与计算机结合方式的不同,计算机群控大致可分为间接型、直接型和计算机网络等三种不同的方式。间接型群控系统中，把来自通用计算机存储的程序，通过连接装置分别送到机床群中每台机床的普通数控装置中去。大型通用计算机也称中央计算机，它具有足够的内存容量，可以统一存储和管理大量的零件程序。 在直接型群控系统中,机床群中的每台数控机床不必再带有普通机床的数控装置，只需装设具有伺服控制电路和操作板的机床控制装置即可，而机床的说能够功能和插补运算功能全部由中央计算机来完成，这些功能集中到一个“分时多路数控装置”中，再与中央计算机构成一个完整的群控系统。在这种系统中各台数控机床不能独立工作，一旦计算机出了故障,各台数控机床都将停止运行。 在计算机网络群控系统中，各台数控机床都有其独立的、有小型计算机构成的数控系统,并与中央计算机联成网络，实现分级控制。由于每台控制专用计算机价格比较便宜，又都有应用软件，并且相对具有独立性,所以整个网络不再有一台计算机去分时完成所有数控装置的功能，全部机床可连续进行工作。 7.柔性制造系统FMS 柔性制造系统也叫计算机群控自动线(Flexible Manufacturing System),就是将一群数控机床用自动传输系统连接起来，并置于一台住计算机的统一控制之下，形成一个用于制造的整体。也就是说，它有若干CNC设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的整体，并能根据制造任务和生产品种的变化而迅速进行调整的自动化制造系统。 柔性制造系统的特点是由一台主计算机对全部的硬、软件进行管理，DNC方式控制两台或两台以上的数控加工中心机床，对各台机床之间的工件有调度和自动传送的功能。利用交换工作台或工作机器人等装置实现工件的自动上料和下料,能使机床每天24h均能在无人或极少人的监督控制下进行生产。如FANUC公司有FNS,有60台数控机床、52个工业机器人、两台无人自动搬运车、一个自动化仓库组成，这个系统每月能加工10000台伺服电动机。 8.计算机集成制造系统(CIMS) 计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System)是在信息技术、自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上通过计算机及其软件将制造工厂生产、经营的全部活动(包括市场调研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造、质量检验及销售经营等)与整个生产过程有关的物料流与信息流实现计算机系统话的管理,把各种分散的自动化系统有机地集成起来，构成一个优化的完整生产系统，从而获得更高的整体效率，缩短产品开发制造周期，提高产品的质量，提高生产率,提高企业的应变能力。三. 数控机床的发展趋势 随着科学技术的发展，现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样话需求的增强，产品品种增多，产品更新换代加速。这就要求数控机床成为一种具有高效率、高质量、高柔性和抵成本的新一代制造设备。尤其是FMS的迅猛发展CIMS的兴起和不断成熟，对机床数控系统提出了更高的要求。现代数控机床正向着更高的速度、更高的精度、更高的可靠性及更完善的功能发展。1. 智能化在数控机床控机床采用了交流数字伺服系统。伺服电动机的位置环、速度环、及电流环都实现了数字化，并采用了不受机械负荷变动影响的高速响应伺服驱动技术。同时，高分辨率、高响应的绝对位置检测器也已应用到数字伺服系统中，这种检测器每转可进行100万细分,可在1000r/min的高速运转中使用。此外，提高主轴转速、减少非切削时间，采用快速插补、超高速通信技术都使现代数控机床的切削速度得到很大的提高。2. 高精度化 高精度化一直是机床数控技术发展追求的目标，在20世纪末一取得明显的效果。普通级中等规格的加工中心的定位精度已从20世纪80年代初的+12 m提高到+0.5 m. 现代数控机床通常采用以下技术来提高精度: 利用数控系统的补偿功能，提高其加工精度和动态特性。例如补偿轴向运动误差、丝杠导程误差、齿轮间隙误差、刀具磨损误差等。在新一代数控系统中，还开发了具有热补偿、空间误差补偿功能的传感器件和软件。 采用高分辨率、高响应性的绝对位置传感器技术，实现切削加工的精密检测。如这种传感器检测到的绝对位置信号，通过专用微处理器进行细分处理，可达到极高的分辨率,现已生产出配套的专用芯片,大大提高了使用精度和可靠性。 采用数字式伺服控制技术，该技术是基于现代控制理论而构成的反馈控制技术。该技术引进的现代控制技术有:非线性补偿技术，消除机床静摩檫引起的误差；鲁棒控制技术，实现加速度反馈，减小因负载变动而引起的误差；前馈控制技术，使伺服系统的追踪滞后减少一半,改善拐角切削加工精度；加减速控制技术，可在插补前后进行平滑的加减速控制.可使系统形状误差减至最小，保证系统具有高精度、高速度双重性能；低噪声电动机技术，保证控制系统获得高增益,目前生产的低噪声电动机，其噪声水平已降到额定值到0.5 以下,提高数控机床机械本体中基础大件的结构刚性和热稳定性。 3. 高可靠性. 现代数控机床的可靠性是在设计阶段就开始进行，即预先确定可靠性指标，在生产过程中模拟实际工作条件，进行检测并提高可靠性的措施予以保证。通常采用的可靠性技术有：冗余技术，故障诊断技术，自动检错、纠错技术，系统恢复技术，软件可靠性技术等。 4.现代数控机床还采取了以下措施来提高数控系统的可靠性：(1)提高元器件和系统的可靠性。新型的数控系统大量采用大规模或超大规模的集成 电路，采用专用芯片及混合式集成电路，使电路的集成度提高，元器件数量减小,供耗降低，从而大幅度降低系统的故障率。 (2)采用抗干扰技术，提高数控系统对环境的适应能力。例如采取滤波、隔离、屏蔽、合理接地等抗干扰措施。使数控系统模块化、通用化和标准化。数控系统的硬件被制成多种功能模块，根据机床数控功能的要求，选择不同的模块，还可以自行扩展或裁剪,组成满意的数控系统。模块化、标准化、通用化的实现，不但便于组织开发、生产和应用，而且提高了可靠性。 (3)提高自诊断及保护功能。数控系统一般都具有软件、硬件及故障的自诊断程序,为了防止超程,可以在系统内预先设定工作范围，避免由于限位开关的不可靠而造成轴端超程,数控系统还具有自动返回功能，当机床在加工过程中，出现某种特殊情况时,例如由于刀具断裂等原因造成加工中断时,数控系统能力将刀具位置保存起来。在更换刀具后，只要重新输入刀具的有关数据,刀具就能自动回到正确位置，保证通电后继续工作，不让工件报废。 (4)多功能复合化 现代数控机床的功能复合化发展，主要体现在以下几个方面: 大多数数控机床都具有人机对话功能，都有很“友好”的人机界面,借助CRT与键盘的配合，可以实现程序的输入、编辑、修改、删除等功能。此外还具有前台操作、后台编辑的功能，并大量采用菜单选择操作方式，操作更加方便四.数控机床的组成数控机床的工作原理:首先根据零件图样制定工艺方案,采用手工或计算机进行零件的程序编制，把加工零件所需的机床各种运作及全部工艺参数变成机床数控装置能接受的信息代码，并把这些代码存储在信息载体(上穿孔纸带、磁盘等)。另一种方法是利用计算机和数控机床的借口直接进行通信,实现零件程序的输入和输出。 进入数控装置的信息，经过一系列处理和运算转变成脉冲信号。有的信号送到机床的伺服系统，通过伺服机构对其进行转换和放大，再经过传动机构驱动机床有关部件,使刀具和工件严格执行零件加工程序所规定的相应运动。还有的信号送到可编程控制器中，用以顺序控制机床的其他辅助动作,如实现刀具的自动更换和变速、松夹工件、开关切削液等动作。 数控机床主要有信息载体、数控装置、伺服系统和机床本体等四个基本部分组成。 1.信息载体 信息载体(又称控制介质)的功能是用于记载以数控加工程序表示的各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数等以控制机床的运动和和各种动作,实现零件的机械。常用的信息载体有穿孔纸带,磁盘和磁带。信息载体上的各种加工信息要经输入装置输送给控制装置。对于用微型计算机控制的数控机床，还可以通过信息接口从其他计算机获取加工信息。也可用操作面板上的按钮和键盘将加工信息直接手动键盘输入，并将数控加工程序存入数控装置的存储器中。 2.数控装置 数控装置是数控机床的运算和控制系统，在普通数控机床中一般由输入装置、控制器、运算器、和输出装置组成，它接受信息载体的信息，并将其代码加以识别、储存、运算、输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。 3.伺服系统 系统的作用是来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，它相映于手工操作时人的手，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图样要求的零件。因此伺服系统的性能是决定数控机床的加工精度、表面质量和生产率的主要因素之一。 4.机床本体 数控机床中的机床本体,在开始阶段沿用普通机床，只是在自动变速、刀架或工作台自动转位和手柄等方面作些改变。随着数控技术的发展，数控机床的外部造型、整体布局、机械传动系统与刀具系统的部件结构以及操作结构等机床的技术性能要求更高了。与传统的普通机床相比，数控机床采用了高性能主轴部件及传动系统，机械传动结构简化，传动链较短;机械结构具有较高刚度和耐磨性，热变形小；更多地采用高效部件,如滚珠丝杠,静压导轨、滚动导轨等。五.机床的运动性能指标1.主轴转速 机床的主轴一般均采用直流或交流调速主轴电动机驱动，选用高速精数控密轴承支承,保证主轴具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度及抗振性。目前，数控机床主轴转速已普遍达到5000-10000r/min,甚至更高，这样对各种小孔加工以及提高专用零件加工质量和表面质量都极为有利。 2.进给速度 数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产率以及刀具寿命的主要因素。它受数控系统装置的运算速度、机床动特性及工艺系统刚度等因素的限制。目前国内数控机床的进给速度可达10-15m/min,国外数控机床的进给速度一般可达15-30m/min. 3.坐标行程 数控机床坐标轴X、Y、Z的行程大小，构成数控机床的空间加工范围，即加工零件的大小。坐标行程是直接体现机床加工能力的指标参数。 4.摆角范围 具有摆角坐标的数控机床，其转角大小也直接影响到加工零件空间部位的能力。但转角太大又造成机床的刚度下降，因此给机床设计带来许多困难。 5.刀库容量和换刀时间 刀库容量和换刀时间对数控机床的生产率有直接影响。刀库容量是指刀库能存放加工所需要的刀具数量，目前常见的中小型数控加工中心多为16-60把刀具，大型数控加工中心达100把刀具。换刀时间制带有自动交换刀具系统的数控机床，将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需用的刀具进行交换所需的时间，目前国内数控机床均在10-20s内完成换刀,国外不少数控机床的换刀时间仅为4-5s.六.数控机床的精度指标 1.定位精度 是指数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置精度，即实际位置与指令位置的一致程度，不一致量表现为误差，因此移动部件实际位置与指令位置之间的误差称为定位误差，被控制的机床坐标的误差(即定位误差),包括驱动此坐标的控制系统(伺服系统、检测系统、进给系统等)的误差在内，也包括移动部件导轨的几何误差等。定位将直接影响零件加工的位置精度。 2.重复定位精度 是指在同一条件下，用相同的方法，重复进行同一动时控制对象位置的一致程度。即在同一台数控机床上，应用相同的程序相同的代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度，也称为精密度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩檫特性等因素的影响。一般情况下，重复定位精度是成正态分布的偶然性误差，它影响一批加工的一致性，是一项非常重要的性能指标。 3.分度精度 是指分度工作台在分度时,理论要求回转的角度角度值和回转的角度值的差值。分度精度既影响零件加工部位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。 4.分辨率与脉冲当量 分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。对测量系统而言分辨率是可以测量的最小增量；对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小量。数控发出的每个脉冲信号，机床移动部件的位移量叫做脉冲当量。坐标计算单位是一个脉冲当量，它标志着数控机床的精度分辨率。脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一,其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量。目前普通精度级的数控机床的脉冲当量一般采样0.001mm/p,简易数控机床的脉冲当量一般采用0.01mm/p,精密或超精密数控机床的脉冲当量采样.0.0001mm/p.脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越好。七.步进式伺服系统 步进式伺服系统是典型的开环位置伺服系统。其执行元件是步进电动机，它受驱动控制电路的控制，将进给脉冲信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移,并且通过齿轮和丝杠螺母副带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差,速度受到步进电动机的限制。但它结构和控制简单，容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合，是具有一定的使用价值。 按力矩产生的原理步进电动机分为:1.反应式 转子无绕组,由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行；2励磁式定子、转子均有励磁绕组（或转子用永久磁钢）,由电磁力矩实现步进运动。步进电动机的主要特性:1 步距角及步距误差 步进电动机的步距角是反映步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次,转子转过的角度。数控机床中常见的反应式步进电动机的步距角为0.5-3,步距角越小，加工精度越高。步距误差是指理论的步距角和实际的步距角之间有误差，在转子一转内各步误差的最大值。由于步进电机每转一转又恢复到原来位置，所以误差不会累积。它的大小主要由步进电动机齿距的制造误差、定子和转子气隙不均匀、各相电磁转距不均匀等因素决定 2.静态距角特性、最大静态转矩Tsmax和起动转矩Tst当步进电动机不改变通电状态时,转子状态为静态。当步进电动机轴上加一个负载转矩T,使转子按一定方向转过一个角度才能重新稳定下来,这时转子上手到的电磁转距Ts和负载转矩T相等，称Ts为静态转矩,为失调角,静态转矩Ts和失调角的关系称为静态矩角特性，Tsmax越大,步进电动机带负载的能力越强，运行的快速性和稳定性越好。负载转矩小于Tst时,步进电动机才能正常起动运行。否则，容易造成步进电动机失步,步进电动机不能正常起动。步进电动机的失步包括丢步和超步,即转子前进的步数小于脉冲数为丢步;多脉冲数为超步。在最大静态转矩相同的情况下，步进电动机相数的增加,因矩角特性曲线变密相邻两相矩角特性曲线的交点上移,会Tst变大。改变通电方式有时也会受到类似的效果。2 起动频率fst和起动时的惯频特性 空载时,步进电动机由静止突然起动，并进入不失步的正常运行所允许的最高频率，称为起动频率或突跳频率。若起动时频率突跳频率，步进电动机就不能正常起动。因此，空载起动时,步进电动机定子绕组通电状态变化的频率不呢功能高于突跳频率。所谓起动时的惯频特性是指步进电动机带动纯惯性负载时起动频率和负载转动惯量之间的关系。一般来说,随着负载转动惯量的增加，起动频率会下降。 4加减速特性 步进电动机的加减特性是步进电动机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电动机起动到大于突跳频率的工作频率时,变化速度必须逐渐上升;同样，从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时,变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和逐渐下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现丢步或超步。一般用加速Ta和减速时间Td来描述步进电动机的升速和降速特性。 第二章 数控机床机械结构一、 数控机床机械结构的组成、特点1 数控机床的机械组成 由于数控机床主轴驱动、进给驱动和CNC技术的发展，数控机床的机械结构已从初期对通用机床局部结构的改进，逐步发展形成数控机床的独特机械结构。数控机床的机械结构主要下列个部分组成：1） 机床的基础件,又称为机床大件,通常指床身、底座、立柱、横梁、滑座和工作台 等2） 主运动传动系统3） 进给运动传动系统。4） 实现主轴回转、定位的装置。5） 实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、润滑、冷却、排屑、防护等。6） 刀架或自动换刀装置。7） 特殊功能装置8） 各种反馈装置和元件。 2数控机床结构的特点： 1）高刚度 因为数控机床要在高速度和高重载下工作，所以机 床的床身、主轴、立柱和刀架等主要部件,均需具有很高的刚度，工件中应无变形或振动。例如：床身应合理布置加强肋,能承受重载与重切削力;工作台与溜板应具有足够的刚度，能承受工作重量并使工作平稳；主轴在高速下运转，应承受大的径向扭矩和轴向推力;立柱在床身上移动，应平稳且能承受大的切削加工中应十分平稳且无振动。 2）高灵敏性 数控机床工作时,要求精度比较通用机床高，因而运动部件应具有高灵敏度。导轨部件通常用于滚动导轨、静压导轨和塑料导轨等,以减少摩檫力,在低速运动时无爬行现象。工作台的移动,有直流或交流伺服电动机驱动，经滚珠丝杠或静压丝杠传动。主轴既要在高刚度和高速下回转，又要有高灵敏度，因而多数采用滚动轴承或静压轴承。 3）高抗振性 数控机床的运动部件、除了应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性,在高速重载下应无振动,一保证加工工作的高精度和高表面质量。 4）热变形小 机床的主轴、工作台、刀架等运动部件,.在运动中常易产生热量，为保证部件的运动精度，要求各运动部件的发热量少，以防止产生热量变形。 5）高精度保持性 为了保证数控机床在长期内具有稳定的加工精度,要求数控机床具有高的精度保持性。除了各有关零件应正确选材外，还要求采取一些工艺措施，如淬火和磨削导轨，一提高运动部件的耐磨性。 6）高可靠性 数控机床在自动或半自动条件下工作，尤其是在柔性制造系统中的数控机床，这24h运转中无人看管,因此要求机床具有高的可靠性。 7）刀具先进 数控机床要能充分发挥效能,实现高精度、高自动化,除了机床本身应满足上述要求外，必须保证长期可靠地工作。二、 数控机床主传动系统的特点及其要求1数控机床主传动系统的特点 1）精度高 由于数控机床的主轴部件本身的精度高、传动链短, 故数控的主传动系统的精度高。 2)转速高、功率大 它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，提高生产率 3)调速范围宽 数控机床的主传动系统有较宽的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量,获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。 4)主轴组件的耐磨性高 凡有机械摩檫的部位如轴承、锥孔等都有较高的硬度，轴承处润滑良好，因此耐磨性高，精度保持性好4对进给传动系统的要求 1）传动精度高 从机械结构方面考虑，进给传动系的传动精度主要去取决与传动间隙和传动件的精度。传动间隙主要来自于传动齿轮副、丝杠螺母副之间，因此进跟传动系统中广泛采用施加预紧力或其它消除间隙的措施。缩短传动及采用高精度的传动装置，也可提高传动精度。 2）摩檫阻力小 为了提高数控机床进给系统的快速响应性能，必须减小运动件之间的摩檫阻力和动、静摩檫力之差。欲满足上述要求，数控机床进给系统普通采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。 3）运动部件惯量小 运动部件的惯量对伺服机构的起动和制动特性都有影响。因此，在满足部件强度和刚度的前提下，应尽可能减小运动部件的质量、减小旋转零件的直径，以降低其惯量。滚珠丝杠副 在数控机床上，将回转运动转换为直线运动一般采用滚珠丝杠螺母机构。 滚珠丝杠的特点:传动效率高,一般为=0.92-0.96;传动灵敏,不易产生爬行；;使用寿命长；具有可逆性,不仅可将旋转运动变为直线运动，亦可将直线运动变成旋转运动；施加预紧力后,可消除轴向间隙，反向时无空行程;成本高,不能自锁,垂直安装时需有平衡装置。 滚珠丝杠的结构和工作原理; 滚珠丝杠螺母的结构有内循环和外循环两种方式 在外循环中,当丝杠相对于螺母旋转时丝杠的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动,同时滚珠沿螺旋形滚道滚动，使丝杠和螺母之间的滑动摩檫变为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩檫,螺母螺旋槽的两端用回株管连接起来，使滚珠能够从一端重新回到另一端,构成一个闭合的循环回路。 在内循环中，在螺母的测孔中装有圆柱凸轮式反向器反向器上铣有S形回珠槽,将相等两螺纹滚道联结起来。滚珠从螺纹滚道进入反向器,借助反向器迫使反向器越过丝杠牙顶进入相邻滚道，实现循环。滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法,为了保证滚珠丝杠副的反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。常采用双螺母施加预紧力的方法消除轴向间隙，但必须注意预紧力不能太大，预紧力过大会造成传动效率降低、摩檫力增大，磨损增大、使用寿命降低。常用的双螺母消除间隙的方法有: （1）调整垫片4的厚度使左右两螺 母产生轴向位移,从而消除间隙 和产生预紧力,这种方法简单、 可靠、但调整费时,使用于一 般精度的机床。 （2）齿轮调整间隙法 如图所示, 两螺母的凸轮缘为圆柱外齿轮, 而且齿数差为1,两只内齿轮用 螺钉、定位销紧固在螺母座上。 调整时先将内齿轮取出，根据 间隙大小使两螺母分别向相同 方向转过1个齿或几个齿,然后 再插入内齿轮，使螺母在轴向 彼此移动了相应的距离，从而 消除两个螺母的轴向间隙。这 种方法的结构复杂,尺寸较大, 适应于高精度传动。 （3）螺纹调整间隙法 如图所示, 右螺纹2外圆上有普通螺纹,在 用两圆螺母4、5固定。当转动 圆螺母5锁紧,这种结构的特点 是结构紧凑、工作可靠，滚道 磨损后可随时调整，但预紧量 不准确。 （4）齿轮传动间隙的消除 在数控机床上，齿侧间隙会造成进给运动反向时丢失指令脉冲，并产生反向死区,影响加工精度，因此在齿轮传动中必须消 除间隙。 直齿圆柱齿轮传动间隙的消除 直齿圆柱齿轮间隙的消除方法主要有:轴向垫片调整法、偏 心套调整法和双片薄齿轮错齿调整法等。 轴向垫片调整法 如图所示,两齿轮沿齿宽方向制成稍有锥度，当齿轮1不动时调整,调整轴向垫片3的厚度，使齿轮2作轴向位移从而减少啮合间隙。 偏心套调整法 如图电动机通过偏心套2装在壳体上。转动偏心套2就能调整两圆柱齿轮的中心距,从而减少齿轮的侧隙。 双片薄齿轮错齿调整法 如图相互啮合的一对齿轮中的一个做成两个薄片齿轮,两薄片齿轮套装在一起，彼此可作相对转动。两齿轮的端面上,分别装有螺纹凸耳1和2,弹簧8的一端钩在吊耳2上上，另一端钩在穿过凸耳1上的螺钉5上。在拉簧的拉力作用下,两薄片齿轮的轮齿相互错位,分别贴紧在与之啮合的轮齿左右齿廓面上,消除了它们之间的齿侧间隙拉簧8的拉力大小，可由螺母6、7调整。 上面三种方法中，前两种方法简单，传动刚性好，但调整后间隙不能自动补偿。第三种方法能自动补偿间隙，但传动刚性差,能传动的扭矩较小。 第三章数控机床的机械结构一、设计任务 本设计任务是利用数控装置对CA6140普通车床进行数控改造.对纵、横进给开环控制,纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲,横向脉冲当量为0.005mm/脉冲,驱动元件采用步进电机,传动装置采用滚珠丝杠副,刀架采用自动转位刀架.二、被改造机床分析 CA6140车床主要用于加工中小型轴类、盘类以及螺纹零件,这些零件加工工艺要求机床应完成的内容有:控制主轴正反转,通过主轴变速实现不同切削速度,刀架能实现纵向和横向的进给运动,并且具备在换刀点自动改变刀位,完成刀具的选择,控制冷却泵的起停,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.三、总体设计的方案确定 考虑到具体方案时,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.确定机械部分改造总体方案为: 1纵向进给机构的改造.拆除原机床的进给箱,利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装步进 电动机减速齿轮箱,滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置,两端采用原固定方式,这样可减少改造工作量,由于滚珠丝杠的摩檫系数小于原丝杠所以纵向进给机构整体刚性优于以前. 2横向进给机构改造 保留原手动机构,用于调整操作,原有的支撑结构也保留,步进电动机,齿轮箱体安装在中滑板的后侧. 3纵向进给机构改造 采用一级齿轮减速,纵向齿轮箱和丝杠全部加防护罩. 4刀架改造 拆除原刀架和小滑板,替换为一个四工位电动刀架.四、纵向进给系统的设计计算 已知条件:工作台重量 w=80千克(根据图样粗略估计)时间常数 t=25ms滚珠丝杠基本导程 Ph=6mm行程 s=1000mm脉冲当量 p=0.01/脉冲步距角 =0.75mm/脉冲快速进给速度 Vmax=4m/min1切削力计算 纵切外圆时,车床的切削力Fz可以用下式计算: FZ=0.67式中:Dmax为在车床床面上加工的最大直径(mm),Dmax=21mm 则 Fz=0.67210=2039(N)进给抗力Fx和切深抗力可按下列比例分别求出 Fz : Fx : Fy = 1 : 0.25 : 0.4则 Fx=0.252039=510(N) Fy = 0.4 2039 = 815.6(N)2 滚珠丝杠设计计算 (1) 实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力,可用下列进给牵引力实际公式计算,对于三角形或综合导轨机床: f = KFx + f(Fz + W)式中: Fx Fz X Z方向上的切削分力,单位为N W 移动部件的重量,单位为 F 导轨上的摩檫系数 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数对于三角形或综合性导轨机床: K = 1.15 f = 0.15-0.18 取f = 0.16则 Fm = 1.15 510 + 0.16 (2039 + 800) = 1040.7(N)(2) 最大动负载C的计算及主要尺寸初选 滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选用,最大动载荷计算原理与滚珠轴承相似,滚珠丝杠最大C可用下式计算: C = fm Fm式中: L为工作寿命,单位为10r , L=60nt/10 ; n 为丝杠转速(r/min),n =1000v/Lo, v 为最大切削力条件下的进给速度(m/min),可取最高进给速度的1/2-1/3 ;Lo为