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C6140
车床
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- 内容简介：
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C6140车床数控化改造之机械系统改造 内容摘要利用数控系统改造车床是提高老设备利用率的一种重要手段。改造后的机床除了能加工平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件，具有高精、高效及加工面广等特点，还可以减少人工的工作量，只要输入一定的加工程序就可以得到相应的加工结果本文介绍了一种C6140车床数控改造的机械系统部分改造的一种方案。改造后机床利用微型计算机控制伺服电机转动，纵横向进给运动改造成分别用伺服电机来控制，普通丝杠被改装成一对齿轮和滚珠丝杠，伺服电机带动齿轮运动，再将动能传到滚珠丝杠，滚珠丝杠转动使工作台移动。论文最后对系统的误差及精度进行分析，并提出改进的方法、建议。关键词：数控改造 机械系统 开环系统 伺服电机AbstractUtilizing NC system reforms lathes is an important method to heighten the rate of old equipments. The innovated lathe characterizes high precision 、high efficiency and wide-machining and so forth, and it can save workload .Only some machining program input ,the corresponding result will be doneThis article introduces a way of economic NC reform of C6140 lathe at its mechanical system .The reformed system uses microcomputer to control the servo electromotor. The x-axis and y-axis forward-moving systems are controlled by respective electromotor . The ordinary screw lever will be changed into a pair of gears and rolling-bead screw lever. The servo motor will drive gear to move , and then spread the kinetic energy to rolling-bead screw lever, and the rolling-bead screw lever run and move the gears .In the end ,making an analysis on the error margin and the precision and giving methods for amelioration and advice Key words: NC reform mechanical system open-hoop system servo motor 目 录前言5正文131总体设计方案1311对机床改造的方案1312实现的目标142.传动系统的改造1521机械部分的数控化改造1522进给传动系统的改造15221改造要求15222进给机构的改造15223导轨副的改造1623纵向（向）进给系统改造16231改造要求及目标16232纵向进给系统的设计17233切削力的计算17234滚珠丝杠设计计算18235有关齿轮计算19236转动惯量的计算20237所需转动力矩的计算2124横向（Y向）进给系统设计与计算22241切削力计算22242滚珠丝杠设计计算:22243齿轮及转矩的计算：24244转动惯量的计算24245所需转动力矩的计算2531步进电机选用的基本原则2632步进电机的选择274分析误差来源2841机械结构原因2842齿轮副误差补偿分析2843滚珠丝杠副误差补偿分析28结论29致谢30前言由于现代工业的飞速发展，普通机床已经越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求如果设备全部更新换代，不仅资金投入太大成本太高，而且原有设备的闲置又会造成极大的浪费。所以最经济的办法，就是对原有设备进行经济型数控改造。这样既可以提高生产率，改善加工工艺还可以减少资金投入。因此方法对于中小型企业是十分有效的。该课题来源于生产实践的需要，利用大量闲置旧机床，对起进行数控化改造后，成为一种高效的、多功能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效办法，是低成本自动化的必由之路。数控技术及数控机床是以数控系统为代表的新技术，对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品：数控机床；其技术范围涉及很多领域：机械制造技术；信息处理技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件技术等。机床数控化改造的必要性、目的和背景（1）微观看改造的必要性 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） 可以实现加工的柔性自动化，大大提高加工效率。实现“柔性自动化”加工。 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）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。 此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS （计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。（2）宏观看改造的必要性 从宏观上看，工业发达国家的机械工业，由于对其机械工业进行信息化改造，使得他们的产品竞争力大为增强。而我国在这方面比发达国家约落后近20年，数控化率极低。这也说明了数控化改造的必要性。进行经济型数控机床开发，是符合我国国情的有效的机床更新途径。在当前的市场需求多变，竞争激烈的环境中，企业需要迅速地开发出新产品，以低价、好质量、快速去满足市场需求的变化。而数控机床最适宜加工小批量、多品种、高精度、形状复杂、生产周期短的零件；数控机床的柔性化加工，符合产品频繁变化的要求。国内外数控系统发展状况 目前，数控技术正由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。而我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。所以，对数控技术实行变革势在必行。数控技术发展趋势数控系统的伺服驱动从直流向交流全数字式转变，系统体系结构从封闭向开放转变，控制系统由专用计算机向通用计算机转变，能根据控制对象迅速、灵活地更改软硬件，具有联网通信功能等，主要就是：1、智能化 2、网络化 3、集成化 4、微机电控制系统 5、数字化 1）性能发展方向 随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。(1)高速高精高效化采用高速芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，并改善机床动、静态特性等有效措施。(2)柔性化包含两方面：数控系统本身的柔性；群控系统的柔性。 (3)工艺复合性和多轴化指一次装夹后，完成多工序、多表面的复合加工，以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工。(4)实时智能化现代数控机床的智能化发展将通过快速作出实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。基于CAD和CAM的数控编程自动化。（6）发展可靠性最大化。它采用更高集成度的电路芯片，同时通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。 2）功能发展方向(1)用户界面图形化图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。(2)科学计算可视化可视化技术与虚拟环境技术相结合，实现无图纸设计、虚拟样机技术等，从而缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM。(3)插补和补偿方式多样化插补如直线插补、圆弧插补等。补偿功能如间隙补偿、螺距和测量系统误差补偿、带平滑接近和退出刀具半径补偿等。(4)内装高性能PLC数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。(5)多媒体技术应用可以做到信息处理综合化、智能化。3)体系结构的发展（1）集成化、模块化、采用高度集成化和大规模可编程集成电路以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。（2）网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。通用型开放式闭环控制模式采用此模式易于将实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等融于一体，从而实现集成化、智能化、网络化。(3)智能化新一代PCNC数控系统它将各高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。我国机床行业已拥有自主知识产权和从低档到高档次的产品，但是，我国数控机床领域与美国、日本和欧洲还有相当的差距。目前，越来越多的企业都在推广和普及使用数控车床。为降低设备采购成本，一些中小企业通过将普通车床改造为数控车床，不但可以取得较好的应用效果，还可以充分利用旧的普通车床，从而延长了设备的使用寿命，提高了设备的利用率。为使数控改造取得满意的效果，在改造过程中应注意以下几个方面问题。1 ）普通车床改造的工艺流程一般情况下，机床可以保留的部分包括主轴箱，床身，大、中溜板，尾座等。机床改造前，应先将要改造的机床进行大修处理，大修处理范围包括：主轴箱传动精度调整，主轴径向跳动及轴向窜动精度修复，机床导轨平面度及直线度、卡盘装夹精度调整等，达到一定精度要求后再进行数控改造。数控改造部分包括增加数控装置，X，Z轴驱动器及驱动电机，换装X，Z轴滚珠丝杠及电动刀架，增加必要的控制电器、开关，冷却液及润滑装置改造等。2 ）数控装置和驱动方式的选择一般情况下，数控改造有2种方案：（1） 步进电机 的开环系统方案，系统中没有反馈电路，不带检测装置，控制指令单向传递，系统对工作台的实际偏差不能修正，控制精度取决于步进电机的步进精度和传动机构的精度，其控制精度不高。（2） 采用伺服电机的半闭环系统，检测元件装在电机轴或丝杠轴的端部(一般是集成在伺服电机内)，系统的闭环控制环内不包括机械传动环节，反馈的仅是进给传动系统的部分误差，一般是电机轴或丝杠轴的角位移、角速度经转换处理后成为工作台的实际位移，由于采用高分辨率的反馈检测元件(主要是编码器)，且传动部位具有补偿功能，因此，可以获得比较满意的精度与速度。二种方案相比，前者经济性好，后者加工精度较高。采用哪种方案关键要看加工对象的精度要求，如果能够满足零件的加工精度要求，应优先采用步进电机的开环方案，既可以保证零件的加工质量，又可以有效降低改造成本。此外，数控装置的控制精度一定要和电机以及滚珠丝杠精度匹配，这样才能实现最佳的加工效果。目前，国内一些数控品牌如广州数控、四维数控、华中数控、新方达等采用步进电机的数控装置都将PLC集成在数控装置中，改造起来非常方便，控制精度也比较高，许多品牌和型号已经可以达到微米级的控制精度，有着较高的性价比，可以优先选用。3 数控装置要求数控装置的选择是数控改造的关键，性能过高，功能过多，会造成改造成本的增加，反之如果性能较低，功能较少，则不一定能够满足加工需要，因此，需要结合零件的性能要求和基本属性进行合理选用滚珠丝杠的选用和安装按照循环结构来分，滚珠丝杠可以分为内循环式和外循环式，其中内循环式又可分为浮动式法兰型螺母结构，浮动式法兰、直筒型垫片预紧螺母结构，浮动式法兰、直筒型螺纹预紧螺母结构等；外循环式包括插管埋入式法兰型螺母结构，插管埋入式法兰、直筒型垫片预紧螺母结构。经济型数控改造方案最常用的是内循环浮动式法兰型螺母结构滚珠丝杠，该种结构的丝杠具有成本低，传动精度可靠的优点，缺点是能够承受的额定静、动载荷较低，不适合大余量强力切削。滚珠丝杠的精度一般可以分为7个等级，即1，2，3，4，5，7，10级，1级精度最高，依次逐渐降低，选择的原则也要结合加工零件的精度要求以及与数控装置和电机的控制精度相匹配。一般情况下，传动精度主要有2个指标，即行程偏差和行程变动量。虽然数控系统可以对滚珠丝杠传动误差进行补偿，但从应用角度来讲，丝杠的传动精度要求也不能过低。对于一般使用要求，滚珠丝杠在任意300 mm轴向行程内的变动量应不能超过005mm，行程偏差小于002 mm，这样才能确保整个工艺系统的改造精度。滚珠丝杠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值，在加工程序中予以补偿或重新调整丝杠间隙。丝杠两端轴承座及其连接处刚性要好，否则易产生丝杠轴向窜动，造成工件加工过程中轴向或径向尺寸不稳定。驱动器和驱动电机如果采用步进电机驱动方案，驱动器和驱动电机可采用三相混合式步进电机驱动器和驱动电机(目前国内一些品牌驱动器已采用五相混合式)，驱动器结构一般为高速单片机嵌入式，通过优化电路，提高控制性能；驱动方式采用PWM(脉宽调制)恒流斩波控制，三相正弦波电流输出，并提供零位信号输出；应具备矢量细分技术，电机每转细分应不小于12 000脉冲(003。)以确保驱动精度的可靠性，并具备完善的过载、过热、过压、短路等保护功能；控制精度要与CNC装置的控制精度和滚珠螺母丝杠精度相匹配；功放电压应达到DC300 V，以确保电机高速运转时仍有高转矩输出；具备掉电相位记忆功能，驱动断电后自动记忆当前相位；位置脉冲方式为单双脉冲控制，整半步运行模式；步进电机要求低速运行平稳，最高转速不小于1 500 rmin，以满足高速加工的需要；额定功率、额定转矩、最大转矩可视比，可以优先选用。主轴调速改造普通机床进行数控改造时主轴调速一般有自动和手动2种方案可供选择，自动方案是主轴电路上增加主轴变频器，通过在程序中指令设定，调整变频器输出频率，从而达到改变电机运行频率和速度的目的，采用变频器变频的最大优点是可以采用机床原来的主轴普通电机，方便的进行转速调控，因而改造成本较低；缺点是普通电机通过变频在较低转速运行时，运行稳定性较差，不利于提高零件的加工精度，因此，采用此种方法进行主轴变速时不能设定太低的转速。如果零件加工确实需要在低转速情况下进行，且加工精度有一定要求，则应将主轴电机更换为专用变频电机。如果采用手工变速方案，则不需要对主轴传动系统的电路做任何改制，只需要在变速的程序段指令前加暂停指令(Go4或MO)，使机床暂时停止运行，手工调整主轴箱转速后，继续执行后面程序指令加工零件即可。数控装置应具备以下基本性能要求。1） 硬件的要求数控装置应能满足交流伺服、混合式步进、反应式步进等多种驱动系统的要求。采用16位以上的CPU，主频速度较高，大规模的CPLD可编程芯片，以确保复杂曲面的插补计算速度；液晶显示屏幕可尽量大一些，以方便进行编程、数据的观察；中文菜单全屏幕编辑，具备快捷键功能，操作简单；具有试刀、对刀功能，可实现任意点起动，任意点结束；具有刀补、换刀、主轴倍率、进给倍率功能；若对切削有特殊需要，还应考虑增加DA无级变速功能，使之满足恒线速切削要求。2） 对性能的要求控制精度应小于001 mii1，加工程序存储量应不小于32 kB并具有断电保护功能；工作状态应包括文件管理、空运行、手动、自动、回零、MDI及对刀等基本的功能；编程方式包括增量编程和绝对编程，能实现各坐标反向间隙补偿及刀具补偿；可实现直线插补、圆弧插补、螺纹插补、循环加工等基本G指令，以满足零件结构多样化加工需要；T(刀具)功能完备，一般应具有8刀位控制，8组刀补功能，并可实现换刀偏置、试切对刀、自动补偿等功能；M功能完备，应可实现4个停止指令(MOO，M01，M02，M30)、主轴正反转、发信、程序跳转、子程序调用等。3 ）对通信接口的要求由于数控装置程序存储量有限，为方便地实现程序的输入、输出和外部存储，数控装置上最好具有通信接口，常用的RS232接口就可以满足其要求。4 ）对参数设定功能的要求参数设定功能应包括设定工件号、快进速度、刀架反转时间、主轴最高转速、顺序号增量、间隙补偿、换刀偏置等，通过对上述参数的设置，可使编程及对丝杠和刀具参数的设置更加方便，有利于加工效率和加工精度的提高。5 ）文件管理功能基本的文件管理功能应包括程序段号、容量的显示，可以使程序段清晰并及时提醒操作者对程序进行管理；全屏幕程序编制、检查和修改使编程操作舒适方便；程序诊断、复制、删除等功能，可实现程序管理的简便以及对程序的校验和相似程序的复制修改。6） 对通信接口的要求由于数控装置程序存储量有限，为方便地实现程序的输入、输出和外部存储，数控装置上最好具有通信接口，常用的RS232接口就可以满足其要求。7） 对参数设定功能的要求参数设定功能应包括设定工件号、快进速度、刀架反转时间、主轴最高转速、顺序号增量、间隙补偿、换刀偏置等，通过对上述参数的设置，可使编程及对丝杠和刀具参数的设置更加方便，有利于加工效率和加工精度的提高。8) 冷却液及润滑系统改造一般情况下，不需要对机床原来的冷却系统进行特殊改动，从经济性上考虑，可以采用手工打开却液泵进行加工过程中零件的冷却，如果有特殊要求，一般CNC系统上都有冷却液接口，可通过PLC设置，实现冷却液的自动开关。机床润滑系统改造可以采用加装润滑泵，通过PLC设定润滑时间的方法进行改造，润滑时间可设定为工作若干时间进行润滑加油的定时润滑方式，这样可极大地降低手工润滑的劳动强度，提高设备的保养水平。9)电器系统改造如果改造的车床使用年限已经较长，可以利用数控改造将现有的电器部分进行更新。如果设备没有特殊的功能要求，电器改造比较简单，主要增加的电器元件包括主轴、丝杠电机变压器，X，Z轴驱动器，电动刀架控制器，以及必要的控制开关、继电器等，若主轴有变速需要，则需要增加变频电机或变频器。10)数控改造后机床应达到的基本技术要求无论是采用步进电机的开环系统还是采用伺服电机的半闭环系统，数控改造后机床的主要技术性能必须满足如下要求：床身导轨平行度O01 mm；纵向导轨在垂直平面内的直线度O02 mm；横向导轨的平行度O03 mm；溜板移动在水平面内直线度O015 mm；重复定位精度，Z轴O01 mm，x轴O01 mm；定位精度Z轴O02 mm，X轴002 mm；精车外圆精度，圆度0005 mm；圆柱度O03 mm；端面平行度002 ram300 mm。数控改造后，机床的技术性能只有符合上述要求，才能确保数控设备高精度、高性能、高效率的优点，满足各种通用加工的需要本文对C6140车床的经济型数控化改造的主要过程：（1）收集车床的技术参数，进行数控化改造的方案设计和总体设计。（2）具体地完成对开环控制系统机械部分的改造设计计算。（3）依据设计计算和改造实际绘制除了改造后车床的（X轴）和纵向（轴）的设计装配图，以及总外型布局图。（4）分析在数控改造中出现的问题，以及解决问题的建议、方法。正文1总体设计方案机床改造中应该注意的问题：1） 在改造前，应对要改造的机床进行全面的检查和修理，使其恢复原有的精度或尽量高的精度。这样才能保证在实施改造后，机床的精度不至于降低；2） 改造时，应尽量保留机床的原有功能，特别是手动功能，如此可为操作人员提供方便的 加工条件；3） 原有车床的传动链终端一般为T型丝杠，它的传动精度低，运动阻力大，所以应把它改为滚动丝杠；4） 在旋转坐标系、平面和旋转坐标系结构的改造中，应将支架设计为活动式，以便于拆除，为平面坐标系方式的加工提供方便。11对机床改造的方案经改造的主要有机械部分和数控部分。系统保留原有的手动机构。将C6140车床数控化改造后，使系统能够控制主轴转速，并实现其正反转控制工作台，实现其纵、横向进给运动。控制冷却和润滑，通过键盘输入加工程序。C6140车床数控化改造后半自动的。床身的上部内装主轴传动系统为主轴变速系统，这部分采用原机床的主轴传动系统。床身的底部是可作冷却液箱的底座，数控系统显示器及按键位于操作者的右边，便于观察、调试和操作。床身右侧的电器箱内装有两坐标的进给伺服控制系统，床身左侧的电器箱内装有主控器和强电系统。显示器采用LED，用以显示输入的程序，机床的实际位置和已存储的各种信息。手动操作时，显示器可作为数字读出装置使用。数控系统采用为两坐标开环控制，由步进电机经一级齿轮减速后驱动。可实现两坐标直线插补和两坐标圆弧插补。采用系列单片机组成微机控制系统，它的可靠性高、能在恶劣的环境下工作，且功能强，速度高。数控系统还有刀具长度偏移和半径补偿功能，自诊断功能，可进行自动加、减速，并具有备用电池，停电是可做存储已编程序的电极。采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出脉冲信号，经光电隔离电路，功率放大再传给步进电机，驱动滚珠丝杠转动，从而实现X、Y 两个方向的进给运动。总体设计如下图1-1所示：图1-1 系统控制原理图12实现的目标论文中主要讨论在对C6140车床进行数控化改造。C6140车床是车圆柱面和车螺纹的通用机床，它没有准确可靠的定位装置，车工件时位置精度一般靠模板的精度和人工划线的精度来保证，故其加工精度低于数控机床。由于普通车床的柔性差，不能满足市场对形状复杂、精度高、小批量、多品种零件需求。而数控化改造后系统采用步进电机为驱动执行元件的开环系统，并且采用CNC数控系统控制X、Y工作台，即采用以MCS-51单片机为控制系统，实现两坐标联动改造,使得改造后的机床能加工除了车圆柱面和车螺纹等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面等）的零件，且加工精度高、效率高，满足市场的需求，且价格较廉。2.传动系统的改造21机械部分的数控化改造数控机床机械结构的主要特点：1）、结构简单，操作方便，自动化程度高；2）、广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品；3）、具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件；4）、对机械结构、零部件的要求高。主传动系统不变，进给系统采用滚动丝杆副螺母副代替原有丝杠副，以提高机床运行精度。考虑到改造的目标及成本的原因，决定C6140车床的主轴支承仍采用滚动轴承支承，导轨仍使用动压导轨。22进给传动系统的改造 221改造要求进给伺服系统改造后性能的好坏将直接影响到整个系统的性能的好坏。也因此对进给伺服系统提出了改造设计要求：（1）、提高传动部件的刚度，减小传动部件的惯量；（2）、减小传动部件的间隙，并减小系统的摩擦阻力；（3）、高精度 就是说伺服系统的输出量能复现输入量的精确程度。（4）、稳定性好 指系统在给定输入或受外界干扰作用下，能在短暂的调节后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。（5）、快速响应，无超调 它是衡量伺服系统动态品质的重要指标，反映了系统的跟踪精度。（6）、低速大转矩 机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。（7）、调速范围宽 指机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在数控机床中，由于加工用刀具、被加工材质及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。222进给机构的改造考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈，故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。本车床的X，Y两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节，直接采用了步进电机一级减速齿轮滚珠丝杆的传动方案。拆除原来的丝杆，增加少量的机械附件，就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副,带动工作台移动。我们选用步进电机的型号为110BF003，步进电机步距角选用，扭距是7.84Nm，电机脉冲当量：。223导轨副的改造C6140车床采用的是铸铁-淬火刚滑动导轨，动、静摩擦系数相差较大，低速易出现爬行，平稳性和定位精度较低，能量损失大。在数控改造中可采用在原导轨上粘贴聚四乙炔软带涂层的方法，以减小摩擦系数，增加耐磨性，且具有良好的自润滑性和抗震性，该方法实现易、费用低。23纵向（向）进给系统改造231改造要求及目标工作台的进给运动是由步进电动机由一级消隙齿轮经滚珠丝杠螺纹副，带动工作台移动。其中在纵向（轴）进给系统的改造布置中，滚珠丝杠、轴承支架固定在工作台上，随工作台移动。步进电动机经降速齿轮和滚珠丝杠的螺母固定在床鞍上，通过滚珠丝杠的转动，实现工作台与床鞍之间的相对移动。滚珠丝杠螺母副，它的特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦，丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。滚珠丝杠螺母副的优点有：（1）、传动效率高，摩擦损失小，使用寿命长。（2）、给予适当预紧，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，防止失步；定位精度高，刚度好。（3）、有可逆性丝杠和螺母都可以作为主运动件，故可以从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。（4）、运动平稳，无爬行现象，传动精度高。附：C6140车床的主要参数如下表2-1表2-1工作台面宽长(mm)3201250工作台最大行程(mm)横向400纵向750主轴转速(r/min)201500最大工件质量(Kg)150快速进给速度(m/min)横向1.54纵向2.3机床进给部件重量(N)横向4410 纵向 2156232纵向进给系统的设计机床进给部件参数初选：横向工作台及夹具重量： = 3000 N（估计值）滚珠丝杠的基本导程： = 6mm螺纹升角： 行程：S= 750mm快速进给速度：= 2m/min（经验值）233切削力的计算现在以工作寿命和实际加工过程中的最大切削力为基础进行设计计算，以确保平常工作状态下的工作安全和可靠。由机床设计手册可知，切削功率=NK公式中N电机功率，查机床说明书，N4KW;主传动系统总效率，一般为0.60.7取0.65; K进给系统功率系数，取K0.96则：4*0.65*0.96=2.946KW又因为FZ/v6120FZ=6120NC/v式中 v-切削线速度，取v100m/min.主切削力FZ=6120*2.496/100=152.76(kgf)=1527.6(N)由可知，主切削力FZ=CFZapXFZfYfzKFZ查表得： CFZ=188kgf/mm2=1880MpaXFZ=1 YFZ=0.75 KFZ=1则可计算FZ如表2-2所示：表2-2ap(mm)222333f(mm)0.20.30.40.20.30.4FZ(N)112515241891168722872837当FZ=1520N时，切削深度ap=2mm,走刀量f=0.3，以次参数作为下面计算的依据。从机床设计手册中可知，在一般车削外圆时：FX=（0.10.6）FZ FY=（0.1540.7）FZ取FX=0.5 FZ =0.5*1527.6=763.8N FY=0.6 FZ=0.6*1527.6=916.5N234滚珠丝杠设计计算综合导轨车床丝杆的轴向力：P=K FX+f”(FZ+W)式中 K+1015，f=0.150.18,取K=0.16。则：P=1.15*763.8+0.16（1527.6+800）=1250.8N(1)强度计算：寿命值Li=60niTi/106Ni=n主f/L0=1000vf/(DL0)取工件直径 D=80mm，查表得 Ti=15000h则：ni=100*100*0.3/(3.14*80*6)=20r/minLi=18最大动负载 Q=PfWfh查表得运转系数 fW=1.2 硬度系数fH=1则 Q=*1.2*1*1250.8=3933.6N根据最大动负载荷Q的值，可以选择滚珠丝杠的型号。参照汗江机床厂的产品样本选取FC1B系列，滚珠丝杠直径为,型号为FC1B325E2，其额定动载荷是10689N，所以强度足够。(2)效率计算 根据机械原理公式，丝杠螺母副的传动效率为：式中 摩擦角=10 螺旋升角325 =0.935166 (3)刚度验算：滚珠丝杠工作负载p引起的道程变化量 1= 式中 L0=6mm=0.6cm: E=20.6166N/cm2滚珠丝杠截面积 F=2=（2.8031/2）23.14 则 L1=5.910-6滚珠丝杠受扭拒引起的导程变化量很小，可忽略，即L=L1，所以：导程变形总误差为=100/L0L=100/0.6*5.9*10-6=9.8m/m查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15m/m,故刚度足够。(4)稳定性验算：由于机床原丝杆直径为30mm，现选用的滚珠丝杠直径为32mm，支撑方式不变，所以稳定性不存在问题，可不进行验算。235有关齿轮计算传动比 I=L0/360P=0.75*6/(360*0.01)=1.25齿轮材料极其许用应力的确定：小齿轮用45#表面淬火 齿面硬度为45HRC大齿轮用45#调质处理，表面硬度为220HBS。因Hlim1=1120Mpa, Hlim2=550MpaSH=1.1 故H1=1190MpaH2=500Mpa因Flim1=240Mpa Flim2=190Mpa SF=1.3 F1=185MpaF2=146Mpa齿面接触强度设计设齿轮按8级精度选，取载荷系数K=1.5齿宽a=0.4粗取 Z1=32 Z2= Z1i=23*1.25=40满足误差要求，取齿轮压力角a=200粗选模数m=2则 小齿轮直径d1=m Z1=64mm大齿轮直径d2=m Z2=80mmda1=d1+2ha*=68mmda2=d2+2ha*=68mm中心距a=m(Z1+Z2)/2=72mm齿宽为大齿轮 b2=a*a=30mm小齿轮 b1=35(补偿安装误差)236转动惯量的计算 工作太折算到电机轴上的转动惯量：J1=（180P/）2W=（180*0.01/3.14*0.75）2*80=0.468kg.cm2=4.68N.cm2丝杠的转动惯量：JS=7.8*10-4D4L1=114.75N.cm2齿轮的转动惯量：JZ1=7.8*10-4*6.44*2=26.17N.cm2JZ2=7.8*10-4*84*2=63.9N.cm2电机的转动惯量很小可忽略。因此总的转动惯量：J=（JS+ JZ2）/i2+ JZ1+ JS=145.19N.cm2237所需转动力矩的计算快速空载启动时所需力矩M=Mamx+Mf+M0最大切削负载所需力矩M=Mat+Mf+M0+Mt快速进给时所需力矩M= Mf+M0式中 Mamx空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩：Mf折算到电机轴上的摩擦力矩：M0由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩：Mat切削时折算到电机轴上的加速度力矩：Mt折算到电机轴上的切削负载力矩。 Ma=(Jn/9.6T)*10-4N.m当n=nmax=Manmax=vmaxi/L0=416.7r/minMamax=2.52N.m=25.72kgf.cm当n=nt时 Ma=Mat:nt=n主要 的ft/L0=24.88r/minMat =0.1505N.m=1.536kgf.cmMf=当=0.8 f=0.16时Mf=12.23N.cmM0=-(1-)当=0.9时预加载荷P0=3/1FS 则M t=76.38*0.6/(2*3.14*0.8*1.25)=0.462kg.cm=72.97N.cm所以，快速空载起动所需力矩M=Mamax+Mf+M0=274.05N.cm切削时所需力矩：M= Mf+M0+Mamax=105.18快速进给时所需力矩M= +Mf+M0=16.85N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩Mmax发生在快速启动时，Mamax=27.405kgf.cm=274.05N.cm24横向（Y向）进给系统设计与计算横向进给系统的设计 经济型数控改造的横向进给系统的横向进给系统的设计比较简单，一般是步进电机安装在大拖板上，法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度，已知条件：工作台重（估算）W=40kgf=300N时间常数: T=4mm左旋行程mm脉冲当量步矩角step快速进给速度vmax=1m/min241切削力计算横向进给量为纵向的，取，则切削力约为纵向力的kgf=763.8N在切断工件时：y=0.5FZ=0.5*76.38=38.19kgf=381.9N242滚珠丝杠设计计算:（1）强度计算：对于燕尾型导轨：Fy+f(FZ+W)取f=0.2则（）kgf=747.4N寿命值iniTi/106=13.5最大动负载fHP=213.55kgf=2135N根据最大负荷的值，可选择滚珠丝杠的型号滚珠丝杠直径为mm,型号为c1B204-5-E2左，其额定动负荷，所以强度足够用效率计算：根据机械原理公式，丝杠螺母副的传动效率为：式中 摩擦角=10 螺旋升角328 =0.956（2） 刚度验算：滚珠丝杠工作负载p引起的道程变化量 1= 式中 L0=4mm=0.4cm: E=20.61106N/cm2滚珠丝杠截面积 F=2= 3.14 则 L1=5.9610-6滚珠丝杠受扭拒引起的导程变化量很小，可忽略，即L=L1，所以：导程变形总误差为=100/L0L=100/0.4*5.96*10-6=14.9m/m查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15m/m,故刚度足够。（3）稳定性验算：由于选用滚珠丝杠的直径不变，而支撑方式由原来的一端固定，一端悬空，变为一端固定，一端径向支撑，所以稳定性增强，故不在验算243齿轮及转矩的计算：传动比 I=L0/360P=0.75*4/(360*0.005)=1.67齿轮材料极其许用应力的确定：小齿轮用45#表面淬火 齿面硬度为45HRC大齿轮用45#调质处理，表面硬度为220HBS。因Hlim1=1120Mpa, Hlim2=550MpaSH=1.1 故H1=1190MpaH2=500Mpa因Flim1=240Mpa Flim2=190Mpa SF=1.3 F1=185MpaF2=146Mpa齿面接触强度设计设齿轮按8级精度选，取载荷系数K=1.5齿宽a=0.4粗取 Z1=18 Z2= Z1i=18*1.67=30满足误差要求，取齿轮压力角a=200粗选模数m=2则 小齿轮直径d1=m Z1=36mm大齿轮直径d2=m Z2=60mmda1=d1+2ha*=40mmda2=d2+2ha*=64mm中心距a=m(Z1+Z2)/2=96mm齿宽为大齿轮 b2=a*a=40mm小齿轮 b1=45(补偿安装误差)244转动惯量的计算 工作太折算到电机轴上的转动惯量：J1=（180P/）2W=（180*0.005/3.14*0.75）2*3/100=0.0439kg.cm2丝杠的转动惯量：JS=7.8*10-4D4L1=0.624kg.cm2齿轮的转动惯量：JZ1=7.8*10-4*3.6*2=0.262kg.cm2JZ2=7.8*10-4*64*2=2.022kg.cm2电机的转动惯量很小可忽略。因此总的转动惯量：J=（JS+ JZ2）/i2+ JZ1+ JS=1.258kg.cm2245所需转动力矩的计算快速空载启动时所需力矩M=Mamx+Mf+M0最大切削负载所需力矩M=Mat+Mf+M0+Mt快速进给时所需力矩M= Mf+M0式中 Mamx空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩：Mf折算到电机轴上的摩擦力矩：M0由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩：Mat切削时折算到电机轴上的加速度力矩：Mt折算到电机轴上的切削负载力矩。 Ma=(Jn/9.6T)*10-4N.m当n=nmax=Manmax=vmaxi/L0=416.7r/minMamax=0.2184N.m=2.23kgf.cm当n=nt时 Ma=Mat:nt=n主要 的ft/L0=33.17r/minMat =0.0174N.m=0.1775kgf.cmMf=当=0.8 f=0.2时Mf=0.028N.cmM0=-(1-)当=0.9时预加载荷P0=3/1FS 则M t=38.19*0.4/(2*3.14*0.8*5)=0.287kg.cm=0.028N.cm所以，快速空载起动所需力矩M=Mamax+Mf+M0=2.633N.cm切削时所需力矩：M= Mf+M0+Mamax=24.04N.cm快速进给时所需力矩M= +Mf+M0=4.03N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩Mmax发生在快速启动时，Mamax=2.633kgf.cm=26.33N.cm3步进电机的选择31步进电机选用的基本原则合理选择步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确的选择，基本原则如下（1）、步矩角mn/i式中i传动比；mn系统对步进电机所驱动部件的最小转角（2）、精度步进电机的精度可用步距误差或积累误差衡量积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用积累误差衡量精度比较实用所选用的步进电机应满足i式中m步进电机的积累误差；s系统对步进电机驱动部分允许的角度误差（3）、转矩为了使步进电机正常运行（不失步，不越步），正常启动并满足对转速的要求，必须考虑：）启动力矩一般启动力矩选取为：M式中 Mq电动机启动力矩; ML0电动机静负载荷2） 在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和（4）启动频率由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：ftfopm式中ft极限启动频率； fopm要求步进电机最高启动频率。32步进电机的选择（1） C6140纵向进给系统步进电机的确定:q=为满足最小步距的要求，电动机选用三想六拍工作方式，查表知：q/Mjm=0.866所以，步进电动机最大静转矩MjmMjmq0.866=791.14N.cm步进电机的最高工作频率fmax=vmax/60=2000/(60*0.01)=3333.3Hz综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机，能够满足使用要求（2） 横向进给系统步进电机的确定q=电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知：qim=0.866所以，步进电机最大静转矩im为：im=N.cm步进电动机最高工作频率fmax=3333.3Hz为了便于设计和采购，仍选用110BF003型直流步进电动机，能够满足使用要求4分析误差来源41机械结构原因由于系统的纵、横向都是开环进给控制系统，没有反馈检测系统，无法消除机械传动部件间隙误差，如滚珠丝杠反向间隙误差、齿轮隙误差及支撑结构和轴系变形引起的误差、步距角精度和导轨副的精度等，从而产生累积误差。而滚珠丝杠的误差主要是指反向间隙误差，由于滚珠丝杠与螺母之间的轴向间隙，导致反向运动时的空程误差，引起失步，它将直接影响到工作台的进给精度。引起齿轮传动误差最主要的是侧隙误差。42齿轮副误差补偿分析对于由齿轮间隙引起的误差可采取双片薄齿齿轮错齿调整法
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