c6140普通卧式车床数控化改造之横向进给系统(X)轴设计

数控系统课程设计C6140普通卧式车床数控化改造之横向进给系统（X）轴设计 -xxxx一车床横向进给系统存在的问题分析 C6140车床横向进给系统在连续的使用过程中，由于磨损等原因，使丝杠与丝母间隙过大，产生轴向窜动，影响进给精度。通过调整可消除丝杠与丝母间的间隙，但实践证明，这种调整方法只消除了丝母的磨损间隙，而没有消除丝杠的磨损间隙。如果按丝杠磨损较大部位调整丝母，则在丝杠磨损较小部位可能因间隙过小而使进给手柄转动太沉。 经过长期的观察和实践，发现几乎所有的机床都在很大程度上存在着进给机构精度因磨损而严重下降的问题。普通车床的横向进给机构因其使用频繁且承受很大的切削力，所以，磨损程度较其它机床严重，如果能够有效地解决车床的进给精度问题对其它类似的机构都有指导意义。 几十年来，国内外车床一直采用上述的传统结构，操作者在使用过程中必须经常进行调整，并把这项工作列入一级保养内容。因此，增加了工人的劳动强度，降低了设备的利用率，即使这样也不能很好地保证设备的精度。 常见改进方案及存在问题 针对普通车床横向进给机构的进给精度问题国内外专家多采用以下三种解决方案。 1.在中修或项修过程中，更换新的横向进给丝母。必要时，对横向进给丝杠进行修复，然后再配作丝母，这种办法并没有从根本上解决横向定位精度问题。机床只是在修复后最初阶段能够保障横向进给精度，数月后就进人反复调整阶段.而且加大了维修成本。 2.有的专家试图用改进横向进给丝杠支承结构或减小丝杠变形的方法来解决问题。这种方案仅提高了丝杠的刚度，虽然能够间接地减缓丝杠和丝母的磨损，但仍然没有从实质上解决问题。这种方法的缺点是改造的成本和维修费用很大。 3.80年代中期，随着电子技术的进步与发展，国内外的专家们纷纷采用数控或数显技术对机床进行改造。采用数控技术改善机床进给机构精度，尤其是采用闭环控制，很好地解决了进给精度问题。但是这种技术改造成本太高，一般企业无法承受。采用数显技术改善机床进给精度的实例在国内比较多，虽然这种方案比数控技术改造投资小，但考虑到投资收益比，也不适合普通车床这类造价较低的设备改造，一般企业仅把这项技术应用于精、大、稀设备的改造，最常见的是造价几十万元的镗铣床改造。 二摘要此设计是经济型中档精度数控车床横向进给系统 。面对我国目前机床数量少、工业生产规模小的特点，突出的任务是用较少的资金迅速改变机械工业落后的面貌。而数控车床（及其系统）已经成为现代机器制造业中不可缺少的组成部分。所以，实现这一任务的有效的、基本的途径就是普及应用经济型数控机床。进给系统是由伺服电机经滚珠丝杠拖动工作台来完成的所以设计涉及伺服电机的选择，滚珠丝杠设计等。目前绝大部分的机床的横向进给均是采用滚珠丝杠来传递运动的，传动的精确性主要取决于丝杠支承形式，丝杠与伺服电机的联接方式。在设计中充分考虑到这两个问题，并且，设计精度须达原始数据。卧式车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电机的开环控制系统。根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列8位机具有功能多、抗干扰能力强、性/价比高等优点。根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O、D/A转换电路、串行接口电路等；还要选择步进电机的驱动电源以及主轴交流变频器等。为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小的滚珠丝杆螺母副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杆的螺母应有预紧。计算选择步进电机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有消间隙选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。三、机械系统的改造设计方案1、主传动系统的改造方案卧式车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构，这样减少改造的工作量。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用24速的多速电机和单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴实现无级变速（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于70Hz，原频率可以不更换，但所选变频器得功能应比电动机大）。其中，当采用有级变速时，可选用浙超力电机有限公司生产的YD系列7.5KW的三湘异步电动机，实现24档变速；当采用无级变速时，应加装交流变频器，推动F1000G0075T3B，适配7.5KW电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公司。2、安装电动卡盘为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特机床附件总厂生产的电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系统发信控制。安装自动回转刀架为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4BCK6140型四工位立式电动机，自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成。螺纹编码器的安装方法螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动。当中，改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是24mm，Z向的进给脉冲当量是半脉冲，所以螺纹编码器每转传输出的脉冲数应不少于24mm/(0.01mm脉冲)=2400脉冲。考虑到编码器的输出有相位差为90的A、B相信号，可将A、B经逻辑运算获得2400个脉冲（一转内），这样编码器的线数可降到1200线（A、B信号）。另外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个得零位脉冲Z。 基于上述要例选择螺纹编码器的型号为:ZLF-1200Z-05VO-15-CT。电源电压+5V，每转输出1200个A/B脉冲与一个Z脉冲，信号为电压输出，轴头直径15mm,生产厂家为长春光机数显技术有限公司。 螺纹编码器同常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在主轴箱的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴，如果找不到同步轴，可将编码器通过一对传动比为1：1的同步齿形带与主轴连接起来，需要注意的是编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性联结，且车床主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。 5进给系统的改造与设计方案 1）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹的编码器。 2）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电机与同步带减速箱总成。 3）拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在床鞍的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。 4）拆除四方刀架与小滑板总成，在中滑板上方安装四工式电动刀架。 5）拆除中滑板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘一段（长216mm,见书后插页图6-2）锯断保留,拆掉刻度盘附近的两个推力轴承,换上滚珠丝杠副。 6）将横向进给步进电机通过法兰座安装到中滑板后部的床鞍上，并与滚珠丝杠的轴头相连。7）拆去三杠（丝杠、光杠与操作杠），更换丝杠的右支承。改造后的横向进给系统如后插页6-2。四、进给传动部件的计算和选型纵、横向进给的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机等。以下详细介绍横向进给机构。1脉冲当量的确定根据设计任务的要求，X方向（横向）的脉冲当量为脉冲为=0.005mm/脉冲，方向（横向）为&x=0.01mm/脉冲。2切削力的计算以下是横向切削力的详细计算过程。设工件材料为碳素结构钢，&b=650MPa;选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角kr=60。，前角ro=10。，刃倾角a= -5。 ；切削用量为：背吃刀量ap=3mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度vc=105m/min。查表，得：C=2795,x=1.0,y=0.75,n=-0.15。查表，得：主偏角Kr的修正系数K=0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。由经验公式（3-2），算得主切削力Fc=2673.4N。有经验公式Fc:Ff:Fp=1:0.35:0.4,算的纵向进给切削力F f = 935.69 N，背向力F p = 1069.36 N。3.滚珠丝杠螺母副的的计算和选型（横向）（1）计算进给率引力 横向导轨为燕尾型，计算如下： =1.4（2）计算最大动负载C。 （3）滚珠丝杆螺母副的选型 查阅【机电一体化设计手册】，可选用WL20051列2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杆副，额定动载荷为8800N，可满足要求，选定精度为3级。（4）传动效率的计算 ： (5)刚度的验算先画出此横向进给滚珠丝杆支撑方式草图，最大进给率引力为2023，支撑间距L=450mm；丝杆螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3.1）丝杠的拉伸或压缩变形量，根据=2023N，查出，可算出： 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杆又进行了预拉紧，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量 2)滚珠与螺纹滚道间接触变形。查【机电一体化设计手册】相关图表，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 因为进行了预紧，故 3）支撑滚珠丝杆轴承的轴向接触变形因为施加预紧力，故 综合以上几项变量之和： =0.001365mm显然此变形量已大于定位精度要求，应该采用相应的措施修改设计，但因横向溜板受空间限制，不宜再加大滚珠丝杆直径，故采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小最大牵引力，重新计算如下： =1155N（6）压杆稳定性校核 计算失稳时的临界载荷Fk 式中：E-丝杆材料弹性模量，对刚E= I-截面惯性矩，丝杆截面惯性矩I= l-丝杆两支撑端距离 -丝杆的支撑方式系数，查表知=2.00对于本设计： I=； =78214N 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求，不会产生失稳。4.同步带减速箱的设计(横向)为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，传动链中常采用减速传动。本设计中，横向减速箱选用同步带传动。设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传递的功率P；主动轮转速n1和传动比i;传动系统的位置和工作条件等。根据改造经验，C6140车床纵向步进电动机的最大静转矩通常在1525Nm之间选择。今初选电动机型号为130BYG5501,五相混合式，最大静转矩为20Nm，十拍驱动时步距角0.72。运行矩频特性曲线如图6-4所示。（1）传动比i的确定 已知电动机的步距角=0.72，脉冲当量z=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ph=6mm。根据式（3-12）算得传动比i=1.2。（2）主动轮最高转速n1 由横向床鞍的最快移动速度Uzmax=6000mm/min,可以算出主动轮最高转速n1=（Uzmax/z）/360=1200r/min 。（3）确定带的设计功率Pd 预选的步进电动机在转速为1200r/min时，对应的步进脉冲频率为max =1200360/(60a) =1200360/(600.72) Hz =10000Hz。从图6-4查得，当脉冲频率为10000Hz时，电动机的输出转矩约为3.8Nm，对应的输出功率为P O UT =nT/9.55 = 12003.8/9.55W478W。今取P = 0.478kW，从表3-18中取工作情况系数KA = 1.2，则由式（3-14），求得带的设计功率P d = K A P =1.20.478kW =0.574kW。（4）选择带型和节距P b 根据带的设计功率P d =0.574 kW和主动轮最高转速n 1 =1200r/min，从中选择同步带，型号为L型节距P b =9.525mm。（5）确定小带轮齿数Z1 和小带轮节圆直径d1 取Z1 = 15，则小带轮节圆直径d 1 =45.48。当n 1 达最高转速1200r/min时，同步带的速度为U =2.86m/s，没有超过L型带的极限速度35m/s。（6）确定大带轮齿数Z2 和大带轮节圆直径d 2 大带轮齿数Z 2 =i Z1 =18，节圆直径d 2 =id 1 =54.57mm。（7）初选中心距a0 、带的节线长度L0p、带的齿数zb 初选中心距a0 =1.1(d1 + d2)=110.06mm，圆整后取a0 =110mm。则带的节线长度为L0p 2a0 +(d1 + d2) + =377.33mm。根据3-33，选取要接近的标准节线长度=381mm，相应齿数=40。（8）计算实际中心距a 实际中心距。（9）效验带与小带轮的啮合齿数 =ent,啮合齿数比6打，满足要求。此处ent表示取整。（10）计算基准额定功率P0（所选型号同步带在基准宽带下所允许传递的额定功率）： 式中 带宽为时的许用工作拉力，由表查得=244.46N； m带宽时的单位长度的质量，由表查得m=0.095kg/m; u同步带的带速，由上述（5）可知u=2.86m/s。算得=0.697kW。（11）确定实际所需同步宽带 式中 选定型号的基准宽带，由表查得=25.4mm。 小带轮啮合齿数系数，由表查得=1。 由上式可得算得14，再根据表（3-22），计算同步带额定功率P的精确值： 式中 为齿宽系数：=。 经计算得=0.697kW，满足。因此，带的工作能力合格。 5.步进电动机的计算与选型（横向）（1） 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杆的公称直径，总长（带接杆），导程，材料密度；横向移动部件总重量G=1300N；同步带减速箱大带轮宽带28mm，节径54.57mm，孔径30mm，轮毂外景42mm，宽度14mm；小带轮宽度28mm，结晶45.48mm，孔径19mm，轮毂外径29mm，宽度12mm；传动比。 ，可以算得各个零部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：滚珠丝杆的转动惯量；床鞍折算到丝杆上的转动惯量小带轮的转动惯量；大带轮的转动惯量。在设计减速箱时，初选的横向步进电动机型号130BYG5501，从表中查得该型号电动机转自的转动惯量。 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： （2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩，分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩 由式（4-8）可知，包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-12）可知， 相对于 和 很小，可以忽略不计。则有： （6-1）根据式（4-9），考虑纵向传动链的总效率,计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： （6-2）式中对应横向空载最快移动速度的步进电机最高转速，单位为r/min； 步进电机由静止到加速至所需要的时间，单位时间s。其中： （6-3）式中横向空载最快移动速度，任务书指定为6000mm/min； 横向步进电机步距角，为72； 横向脉冲当量，本例=0.01mm/脉冲。将以上各值代入式（6-3）,算得=1200r/min。设步进电机由静止到加速至转速所需时间=0.41s，横向传动链总效率=0.7；则由式（6-2）求得： 由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： （6-4）式中 导轨的摩擦因素，滑动导轨取0.06; 垂直方向的工作负载，空载时取0； 横向传动链总效率，取0.7。则由式（6-4），得： 最后由式（6-1，求得快速空载起动时电动机转矩所承受的负载转矩为： （6-5）2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由式（4-13）可知，包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩.相对于和 很小,可以忽略不计.则有: (6-6)其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T1由式4-14计算。本设计中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷F1=.935.69N,则有： = 再由式4-10计算承受最大工作负载Fe=2673.4N情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： 最后由式6-6，求的最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩： （6-7）经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩： 3步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的开环控制，当电网电压降低时其输出转矩会下降，可能造成丢歩，甚至堵转。因此，根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本设计中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： (6-8) 对于前面预选的130BYG5501型步进电动机，由表可知，其最大静转Tjmax= 20N m,可见完全满足式（6-8）的要求。（4）步进电动机的性能校核1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定横向最快工进速度=800mm/min,脉冲当量=0.01mm/脉冲，由式（4-16）求出电机对应的运行频率=800/(600.01)Hz1333Hz。从130BYG5501的运行矩频特性图6-4可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf17Nm,远远大于最大工作负载转矩Teq2=1.78Nm,满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定横向最快空载移动速度=6000mm/min,仿照式（4-16）求出电机对应的运行频率=6000/(600.01)Hz=10000Hz。从图6-4查得，在此频率下，电动机的输出转矩=3.8Nm,大于快速空载起动时的负载转矩Teq1=2.82Nm,满足要求。3）最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度Vmax=6000mm/min, 对应电动机的运行频率max=10000Hz。查表可知130BYG5501的极限运行频率为20000Hz,可见没有超出上限。4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量=57.55kg.cm,电动机转子自身的转动惯量Jm=33kg.cm,查表可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载起动频率q=1800Hz。则由式（4-17）可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为： 上式说明，要想保证步进电动机起动时不失歩，任何时候的起动频率都必须小于1087Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选的很低，通常只有100Hz（即100脉冲、s）。综上所述，本设计中横向进给系统选用130BYG5501步进电动机，可以满足设计要求。6.同步带传递功率的校核 分两种工作情况，分别进行校核。（1）快速空载起动 电动机从静止到加速至nm=1200/min,由式（6-5）可知，同步带传递的负载转矩Teq1=2.82N.m,传递的功率为P=nmTeq1/9.55=12002.82/9.55W354.3W (2) 最大工作负载、最快工作速度 由式（6-7）可知，带需要传递的最大工作负载转矩Teq2 =1.78N.m，任务书给定最快工进速度Vmaxf=800mm/min,对应电动机转速nmaxf=(Vmaxf/z) a/360=160r/min. 传递的功率为P=nmaxfTeq2/9.55=1601.78/9.55W29.8W.可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率0.697KW。因此，选择的同步带功率合格。 五、绘制进给传动机构的装配图在完成滚珠丝杠螺母副、减速箱和步进电动机的计算、选型后，就可以着手绘制进给传动机构的装配图了。在绘制装配图时，需要考虑以下问题：1) 了解原车床的详细结构，从有关资料中查阅床身、床鞍、中滑板、刀架等的结构尺寸。2)根据载荷特点和支承形式，确定丝杠两端轴承的型号、轴承座的结构，以及轴承的预紧和调节方式。 3)考虑各部件之间的定位、连接和调整方式。例如：应保证丝杠两端支承与螺母座同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座、支承座在安装面上的连接与定位，同步带减速箱的安装与定位，同步带的张紧力调节，步进电动机的联接与定位等。4)考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如：丝杠螺母的润滑、防尘防铁屑保护、轴承的润滑及密封、行程限位保护装置等。5)在进行各零部件设计时，应注意装配的工艺学，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。6)注意绘制装配图时的一些基本要求。例如：制图标准，视图布置及图形画法要求，重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标注，重要配合尺寸的标注，装配技术要求、标题栏等。横向进给传动机制的装配图，如后插页的图6-2六、控制系统硬件电路设计根据人任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：1）接收键盘数据，控制LED显示;2）接收控制面板的开关与按钮信号;3）接收车床限位开关信号;4）接收螺纹编码器信号；5）接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；6）控制X、Z向步进电动机的驱动器；7）控制主轴的正转、反转与停止；8）控制多速电动机，实现主轴有级变速；9）控制交流变频器，实现主轴无级变速；10）控制切削液泵起动/停止；11）控制电动卡盘的夹紧与松开；12）控制电动刀架的自动选刀；13）与PC机的串行通信。图6-5为控制系统的原理框图。CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52；由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用作数据存储器，存放用户程序；键盘与LED显示采用8279来管理；输入/输出口的扩展选用了并行接口8255芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大；模拟电压的输出借助与DAC0832；与PC机的串行通信经过MAX233芯片。如下图所示：晶振电路EPROM芯片W27C512SRAM芯片6264键盘与显示口芯片8279串行接口芯片MAX233并行接口芯片8255CPUAT89S52单片机复合电路隔离放大电路隔离放大X向步进电动机刀架电动机隔离放大电路隔离放大隔离放大隔离放大电路隔离放大隔离放大电路Z向步进电动机主轴电动机卡盘电动机切削液泵电动机刀架刀位信号限位开关信号D