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设计
CA6140
普通
车床
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改造
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(设计)CA6140普通车床的数控技术改造,设计,CA6140,普通,车床,数控技术,改造
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1目录目录前言前言-1 1摘要摘要-5 5ABSTRACTABSTRACT-6 6第一章第一章 绪论绪论-7 7一一 数控系统发展及趋势数控系统发展及趋势-7 7(一)国内外数控系统发展概况(一)国内外数控系统发展概况 -7 7 (二)数控技术发展趋势(二)数控技术发展趋势 -7 7(三)智能化新一代(三)智能化新一代 PCNCPCNC 数控系统数控系统 -1010二二 普通机床数控改造的必要性普通机床数控改造的必要性-1111(一)微观看改造的必要性(一)微观看改造的必要性 -1111(二)宏观看改造的必要性(二)宏观看改造的必要性 -1212三三 数控改造的内容及优缺点数控改造的内容及优缺点-1212(一)国外改造业的兴起(一)国外改造业的兴起 -1212(二)数控化改造的内容(二)数控化改造的内容 -1313(三)机床数控化改造的优缺点(三)机床数控化改造的优缺点 -1313四四 数控机床机构组成、特点及分类数控机床机构组成、特点及分类-1414(一)数控机床的组成(一)数控机床的组成 -1414(二)数控机床机构的特点(二)数控机床机构的特点 -1616(三)数控机床的分类(三)数控机床的分类 -1919五五 普通机床数控化改造市场普通机床数控化改造市场-2222(一)改造的市场(一)改造的市场 -2222(二)进口设备和生产线的数控化改造市场(二)进口设备和生产线的数控化改造市场 -2222第二章第二章 C6140C6140 普通车床数改的总体方案普通车床数改的总体方案 -2424一一 总体方案总体方案-2424(一)主传动系统和进给系统的改造(一)主传动系统和进给系统的改造 -2424(二)主轴脉冲发生器(二)主轴脉冲发生器 -2525(三)主轴脉冲发生器的结构及原理(三)主轴脉冲发生器的结构及原理 -2626第三章第三章 数改数改 C6140C6140 车床传动装置设计车床传动装置设计-27272一一 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副-2727(一)滚珠丝杠副的工作原理、特点及类型(一)滚珠丝杠副的工作原理、特点及类型 -2828(二)滚珠丝杠副的结构(二)滚珠丝杠副的结构 -2929二二 纵向进给系统的设计与计算纵向进给系统的设计与计算-3232(一)纵向进给系统的设计计算(一)纵向进给系统的设计计算 -3232(二)滚珠丝杠设计计算(二)滚珠丝杠设计计算 -3434(三)齿轮及转距的有关计算(三)齿轮及转距的有关计算 -3939三三 横向进给系统的设计与计算横向进给系统的设计与计算-4242(一)横向进给系统的设计计算(一)横向进给系统的设计计算 -4343(二)滚珠丝杠设计计算(二)滚珠丝杠设计计算 -4444(三)齿轮及转矩有关计算(三)齿轮及转矩有关计算 -4646四四 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法-4747五五 滚珠丝杠副的安装结构滚珠丝杠副的安装结构-5050(一)支承结构(一)支承结构 -5050六六 进给系统传动齿轮间隙的消除进给系统传动齿轮间隙的消除-5151(一)采用减速箱的目的及注意事项(一)采用减速箱的目的及注意事项 -5151(二)减少或消除空程的必要性和方法(二)减少或消除空程的必要性和方法 -5151第四章第四章 数改数改 C6140C6140 自动刀架设计自动刀架设计-5353一一 自动刀架的分类自动刀架的分类-5353二二 自动刀架的设计自动刀架的设计-5353第五章第五章 数改数改 61406140 步进电机的设计步进电机的设计-5656一一 步进电机的工作方式步进电机的工作方式-5656二二 步进电机的选择步进电机的选择-5656(一)步进电机选用的基本原则(一)步进电机选用的基本原则 -5656(二)数改(二)数改 C6140C6140 纵向进给系统步进电机的确定纵向进给系统步进电机的确定 -5858(三)数改(三)数改 C6140C6140 横向进给系统步进电机的确定横向进给系统步进电机的确定 -5858第六章第六章 数改数改 61406140 车床导轨设计车床导轨设计-6060一一 导轨的作用导轨的作用-6060二二 塑料导轨软带塑料导轨软带-6060第七章第七章 数控系统硬件电路设计数控系统硬件电路设计-63633一一 数控系统基本硬件组成数控系统基本硬件组成-6363二二 单板机控制系统的设计单板机控制系统的设计-6464第八章第八章 CA6140CA6140 生产成本及经济技术分析生产成本及经济技术分析 -6666第九章第九章 结结 论论-6767参考文献参考文献-6868专题:专题:-7070高速切削的刀具材料及切削技术的应用高速切削的刀具材料及切削技术的应用 -7070附录附录:外文文献外文文献-7979NumericalNumerical ControlControl -7979附录附录:中文翻译中文翻译-9292数字控制数字控制 -9292致致 谢谢-10104 44摘要摘要我国是世界上机床产量最多的国家,但数控机床的产品竞争力在国际市场中仍处于较低水平,即使在国内市场也面临着严峻的形势:一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求,而另一方面却有不少国产机床滞销积压,国外机床产品充斥市场,严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现,除了有经营上、产品质量上和促销手段上等的原因外,一个最主要的原因就是新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长,不能及时针对用户的需求提供满意的产品。普通机床的数控化改造事业方兴未艾,在我国目前形式下将大批故障机床尤其是一大批闲置的普通机床进行改造、升级,以较小的投入尽快使这批设备在经济发展中发挥效能、创造效益,的确是许多企业的一项不可忽视的课题。关键词关键词: 脉冲发生器 滚珠丝杠 滚珠丝杠螺母副 自动刀架 塑料导轨软带5AbstractMy national yes machine output mos statet state in the world,the product competitive power at international market suffer still get off to inferiority level , of the therefor numerically-controlled machine , granted that at home market too be faced with austere posture:on the one hand domestic market versus all manner of tool product especially numerically-controlled machine be covered with demand,whereas on the other hand refuse have got not a little made in ones country tool dull sale overstock,abroad tool product overflow market,had a strong impact on me national numerically-controlled machine independence extend momenta into.show such phenomenal face,except to have got manage upper, product quality upper sum sales promotion instrument good cause besides,the development cycle length of the both one upmost cause namely novelty(include fundamental mode, derivative and special machine),be be incapable of in season aim at users demand supply satisfied product.General machine tool numerical control melt reclaim undertaking be in the ascendant from, upratein our country for the moment form down move in bulk malfunction tool above all crowd idle general machine tool proceed rebuild, up upgrade,withal lesser project into as soon as possible gotten these batch EQUIPment at economic development exert EFFiciency, create benefit,the one term nonnegligible problem of the forsooth yes heap enterprise.Keywords:Keywords: Impulse generator Ball screw Ball screw nut deputy Automatism knife rest Plastic rack soft strap6 第一章第一章 绪论绪论一一 数控系统发展及趋势数控系统发展及趋势(一)国内外数控系统发展概况(一)国内外数控系统发展概况 随着计算机技术的高速发展,传统的制造业开始了根本性变革,各工业发达国家投入巨资,对现代制造技术进行研究开发,提出了全新的制造模式。在现代制造系统中,数控技术是关键技术,它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体,具有高精度、高效率、柔性自动化等特点,对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前,数控技术正在发生根本性变革,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,数控系统实现了高速、高精、高效控制,加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数,实现了在线诊断和智能化故障处理;在网络化基础上,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。 长期以来,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。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定,加工程序在实际加工前用手工方式或通过 CAD/CAM 及自动编程系统进行编制。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,加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数,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。由此可见,传统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构,限制了 CNC 向多变量智能化控制发展,已不适应日益复杂的制造过程,因此,对数控技术实行变革势在必行。7(二)数控技术发展趋势(二)数控技术发展趋势 1 性能发展方向 (1) 高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速 CPU芯片、RISC 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,同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施,机床的高速高精高效化已大大提高。 (2) 柔性化 包含两方面:数控系统本身的柔性,数控系统采用模块化设计,功能覆盖面大,可裁剪性强,便于满足不同用户的需求;群控系统的柔性,同一群控系统能依据不同生产流程的要求,使物料流和信息流自动进行动态调整,从而最大限度地发挥群控系统的效能。 (3) 工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工,正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后,通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施,完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴,西门子 880 系统控制轴数可达 24 轴。 (4) 实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境,其作用是如何调度任务,以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天,实时系统和人工智能相互结合,人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展,而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展,由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域,实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展:自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统,在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能,在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制,使数控系统的控制性能大大提高,从而达到最佳控制的目的。 2 功能发展方向8 (1) 用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同,因而开发用户界面的工作量极大,用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前 INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。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 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据,使信息交流不再局限于用文字和语言表达,而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合,进一步拓宽了应用领域,如无图纸设计、虚拟样机技术等,这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域,可视化技术可用于 CAD/CAM,如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。 (3) 插补和补偿方式多样化 多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2 螺旋插补、NANO 插补、NURBS 插补(非均匀有理 B样条插补)、样条插补(A、B、C 样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。 (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。编程工具中包含用于车床铣床的标准 PLC用户程序实例,用户可在标准 PLC 用户程序基础上进行编辑修改,从而方便地建立自己的应用程序。 (5) 多媒体技术应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体,使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域,应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化,在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。 3 体系结构的发展9 (1) 集成化 采用高度集成化 CPU、RISC 芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD 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。应用 FPD 平板显示技术,可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点,可实现超大尺寸显示,成为和 CRT 抗衡的新兴显示技术,是 21 世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术,将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格,改进性能,减小组件尺寸,提高系统的可靠性。 (2) 模块化 硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求,将基本模块,如 CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块,作成标准的系列化产品,通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减,构成不同档次的数控系统。 (3) 网络化 机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网,可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行,不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。 (4) 通用型开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构,便于裁剪、扩展和升级,可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程,包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素,因此,要实现加工过程的多目标优化,必须采用多变量的闭环控制,在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式,易于将计算机实时智能技术、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、动态仿真等高新技术融于一体,构成严密的制造过程闭环控制体系,从而实现集成化、智能化、网络化。(三)智能化新一代 PCNC 数控系统10 当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代 PCNC 数控系统已成为可能。 智能化新一代 PCNC 数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体,形成严密的制造过程闭环控制体系。二二 普通机床数控改造的必要性普通机床数控改造的必要性(一)微观看改造的必要性从微观上看,数控机床比传统机床有以下突出的优越性,而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 (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。由于计算机有高超的运算能力,可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量,因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 (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。由于计算机有记忆和存储能力,可以将输入的程序记住和存储下来,然后按程序规定的顺序自动去执行,从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序,就可实现另一工件加工的自动化,从而使单件和小批生产得以自动化,故被称为实现了柔性自动化。 (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。由以上五条派生的优点:(1)降低了工人的劳动强度;(2)节省了劳动力(一个人可以看管多台机床) ;(3)减少了工装;缩短了新产品试制周期和生产周期;11(4)可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的,是一个极为重大的突破。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。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。(二)宏观看改造的必要性从宏观上看,工业发达国家的军、民机械工业,在 70 年代末、80 年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是,采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS 外,还包括在产品开发中推行 CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS(管理信息系统) 、CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术,包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化) ,最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中,数控机床的比重(数控化率)到 1995 年只有 1.9,而日本在 1994 年已达 20.8,因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。三三 数控改造的内容及优缺点数控改造的内容及优缺点(一)国外改造业的兴起(一)国外改造业的兴起在美国、日本和德国等发达国家,它们的机床改造作为新的经济增长行业,生意盎然,正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步,机床改造是个永恒的课题。我国的机床改造业,也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国,用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场,已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国,机床改造业称为机床再12生(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有:Bertsche 工程公司、ayton 机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US 设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本,机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有:大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。(二)数控化改造的内容(二)数控化改造的内容机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点:(1)是恢复原功能,对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复;(2)是 NC 化,在普通机床上加数显装置,或加数控系统,改造成 NC机床、CNC 机床;(3)是翻新,为提高精度、效率和自动化程度,对机械、电气部分进行翻新,对机械部分重新装配加工,恢复原精度;对其不满足生产要求的 CNC系统以最新 CNC 进行更新;(4)是技术更新或技术创新,为提高性能或档次,或为了使用新工艺、新技术,在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新,较大幅度地提高水平和档次的更新改造。(三)机床数控化改造的优缺点(三)机床数控化改造的优缺点1. 减少投资额、交货期短同购置新机床相比,一般可以节省 6080的费用,改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造,只花新机床购置费用的1/3,交货期短。但有些特殊情况,如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱,往往改造成本提高 23 倍,与购置新机床相比,只能节省投资 50左右。 2. 机械性能稳定可靠,结构受限所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件,而不是那种焊接构件,改造后的机床性能高、质量好,可以作为新设备继续使用多年。但是受13到原来机械结构的限制,不宜做突破性的改造。 3. 熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时,不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然,可以精确地计算出机床的加工能力;另外,由于多年使用,操作者对机床的特性早已了解,在操作使用和维修方面培训时间短,见效快。改造的机床一安装好,就可以实现全负荷运转。 4. 可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基,不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。5. 可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度,及时地提高生产设备的自动化水平和效率,提高设备质量和档次,将旧机床改成当今水平的机床。四四 数控机床机构组成、特点及分类数控机床机构组成、特点及分类(一)数控机床的组成(一)数控机床的组成数控机床外形一般分为五部分,组成框图如图 11 所示。图1-1 数控机床组成框图编程机等附属机构驱动装置数字控制系统机床主机辅助装置141. 机床主机 机床主机是数控机床的主体,它包括床身、主柱、主轴、进给机构等机械部件。2. 数字控制系统 是数控机床的核心。当前一般采用计算机数控(Computered Numerical Control 简称 CNC)系统。它是一台专用控制计算机,包括硬件(印制电路板、显示器、键盘、阅读机等)项控制功能。现代数控机床的数控系统都具有下面一些功能: (1)多坐标控制(多轴联动) 。(2)实现多种函数的插补运算:直线、圆弧、抛物线、正弦线等。(3)代码转换:EIA/ISO 转换、英制/公制转换、二/十进制转换、绝对值/增量值转换等。(4)人机对话:手动数据输入,加工程序输入,编辑及修改等。(5)加工选择:各种加工循环,重复加工,凹(凸)模加工,镜象加工等。(6)实现各种补偿功能:进行刀具半径、刀具长度、传动间隙、螺距误差的补偿。(7)实现系统故障诊断。(8)屏幕显示:实现图形、轨迹、字符显示。(9)联网及通信功能。3. 驱动装置 驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件。一般通用机床的主轴和进给系统是由电动机驱动主轴箱中转动齿轮来实现速度变换和加工运动。4. 辅助装置 15辅助装置是保证数控机床的功能得以充分发挥的配套部件。它包括的面很广,有电器、液压、气压等器件及系统,冷却、润滑、输送等装置,由于它们对发挥数控机床功能起重要作用,因此受到重视,发展极为迅速。5. 其它附属设备 为了提高数控机床工作效率,常常还配置一些附属设备,如自动编程机,机外对刀仪等。(二)数控机床机构的特点(二)数控机床机构的特点在数控机床发展的最初阶段,其机械结构与通用机床相比没有多大的变化,只是在自动变速、刀架和工作台自动转位和手柄操作等方面作些改变。随着数控技术的发展,考虑到它的控制方式和使用特点,才对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。数控机床的主体机构有以下特点:(1)由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统,数控机床的极限传动结构大为简化,传动链也大大缩短;(2)为适应连续的自动化加工和提高加工生产率,数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度,以及较高的耐磨性,而且热变形小;(3)为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度,更多地采用了高效传动部件,如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副等;(4)为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率,采用了刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置。根据数控机床的适用场合和机构特点,对数控机床结构因提出以下要求: 1、较高的机床静、动刚度数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。由于机械结构(如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等)的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿,因此,必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内,以保证所要求的加工精度与表面质量。为了提高数控机床主轴的刚度,不但经常采用三支撑结构,而且选用钢性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承铰接出相信忒力轴承 ,以16减小主轴的径向和轴向变形。为了提高机床大件的刚度,采用封闭界面的床身,并采用液力平衡减少移动部件因位置变动造成的机床变形。为了提高机床各部件的接触刚度,增加机床的承载能力,采用刮研的方法增加单位面积上的接触点,并在结合面之间施加足够大的预加载荷,以增加接触面积。这些措施都能有效地提高接触刚度。为了充分发挥数控机床的高效加工能力,并能进行稳定切削,在保证静态刚度的前提下,还必须提高动态刚度。常用的措施主要有提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。试验表明,提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。钢板的焊接结构既可以增加静刚度、减轻结构重量,又可以增加构件本身的阻尼。因此,近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台。封砂铸件也有利于振动衰减,对提高抗振性也有较好的效果。 2、减少机床的热变形在内外热源的影响下,机床各部件将发生不同程度的热变形,使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破环,也是机床季度下降。对于数控机床来说,因为全部加工过程是计算的指令控制的,热变形的影响就更为严重。为了减少热变形,在数控机床结构中通常采用以下措施。 (1)减少发热机床内部发热时产生热变形的主要热源,应当尽可能地将热源从主机中分离出去。 (2)控制温升在采取了一系列减少热源的措施后,热变形的情况将有所改善。但要完全消除机床的内外热源通常是十分困难的,甚至是不可能的。所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升,以减少热源的影响。其中部较有效的方法是在机床的发热部位强制冷却,也可以在机床低温部分通过加热的方法,使机床各点的温度趋于一致,这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。 (3)改善机床机构在同样发热条件下,机床机构对热变形也有很大影响。如数控机床过去采用的单立柱机构有可能被双柱机构所代替。由于左右对称,双立柱机构受热后的主轴线除产生垂直方向的平移外,其它方向的变形很小,而垂直方向的轴线移动可以方便地用一个坐标的修正量进行补偿。对于数控车床的主轴箱,应尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。这就可以使主轴热变形对加工直径的影响降低到最小限度。在结构上还17应尽可能减小主轴中心与主轴向地面的距离,以减少热变形的总量,同时应使主轴箱的前后温升一致,避免主轴变形后出现倾斜。数控机床中的滚珠丝杠常在预计载荷大、转速高以及散热差的条件下工作,因此丝杠容易发热。滚珠丝杠热生产造成的后果是严重的,尤其是在开环系统中,它会使进给系统丧失定位精度。目前某些机床用预拉的方法减少丝杠的热变形。对于采取了上述措施仍不能消除的热变形,可以根据测量结果由数控系统发出补偿脉冲加以修正。 3、减少运动间的摩擦和消除传动间隙数控机床工作台(或拖板)的位移量十一脉中当量为最小单位的,通常又要求能以基地的速度运动。为了使工作台能对数控装置的指令作出准确响应,就必须采取相应的措施。目前常用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠也可以收到同样的效果。目前,数控机床几乎无一例外地采用滚珠丝杠传动。数控机床(尤其是开环系统的数控机床)的加工精度在很大程度上取决于进给传动链的精度。除了减少传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差之外,另一个重要措施是采用无间隙传动副。对于滚珠丝杠螺距的累积误差,通常采用脉冲补偿装置进行螺距补偿。4、提高机床的寿命和精度保持性为了提高机床的寿命和精度保持性,在设计时应充分考虑数控机场零部件的耐磨性,尤其是机床导轨、进给伺港机主轴部件等影响进度的主要零件的耐磨性。在使用过程中,应保证数控机床各部件润滑良好。5、减少辅助时间和改善操作性能在数控机床的单件加工中,辅助时间(非切屑时间)占有较大的比重。要进一步提高机床的生产率,就必须采取促使最大限度地压缩辅助时间。目前已经有很多数控机床采用了多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置等,以减少换刀时间。对于切屑用量加大的数控机床,床身机构必须有利于排屑。(三)数控机床的分类(三)数控机床的分类18目前,数控机床品种已经基本齐全,规格繁多,据不完全统计已有 400 多个品种规格。可以按照多种原则来进行分类,但归纳起来,常见的是以下面三种方法来分析类。1. 按工艺用途分类(1)一般数控机床这类机床和传统的通用机床品种一样,有数控车、铣、镗、钻、磨等,而且每一类又有很多品种,例如数控铣床中就有立铣、卧铣、龙门铣等,这类机床的工艺可能性和通用机床相似,所不同的是它能加工复杂形状的零件。(2)数控加工中心机床这类机床是在一般数控机床的基础上发展起来的,它是一般数控机床上加装一个刀库(可容纳 10100 多把刀具)和自动换刀装置而构成的一种带自动换刀装置的数控机床(又称多工序数控机床) ,这使数控机床更进一步地向自动化和高效化方向发展。 它和一般数控机床的区别是:工件经一次装夹后,数控装置就能控制机床自动地更换刀具,连续地对工件各加工面自动地完成铣、镗、钻、铰及攻丝等多工序加工。这类机床大多是以镗铣为主,主要用来加工箱体零件。(3)多坐标数控机床有些复杂形状的零件,用三坐标的数控机床还是无法加工,如螺旋架、飞机曲面零件的加工等,需要三个以上坐标的合成运动才能加工出所需的形状,于是出现了多坐标的数控机床。其特点是数控装置控制的轴数较多,机床结构也比较复杂。其坐标轴数通常取决于加工零件的工艺要求,现在常用的是 46坐标的数控机床,最多可达 24 坐标。(4)计算机群控计算机群控也称为直接数控(DNC)系统,它是一台大型通用计算机直接控制一群数控机床的系统。2. 按运动方式分类19图1-3半闭环控制系统框图指令位置比较电路速度控制电路BA工作台图1-2 开环控制系统框输入步 进电 机数 控装 置指令机床工作台(1)点位控制数控机床这类机床的数控装置只能控制机床移动部件从一个装置(点)精确地移动到另一个位置(点) ,在移动过程中不进行任何切削加工,至于相关点之间的移动速度及路线则取决于生产率。(2)点位直线控制数控机床这类机床工作时,不仅要控制两相关点之间位置,还要控制两相关点之间的移动速度和路线(即轨迹) 。(3)轮廓控制数控机床这种机床的控制装置能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制。3. 按控制方式分类(1)开环控制数控机床在开环控制中,机床没有检测反馈装置,如图 12 所示,数控装置发出信号的流程是单向的,所以不存在系统稳定性问题。也正是由于信号的单向流程,它对机床移动部件的实际位置不作检测,所以机床加工精度不高,其精度主要取决于伺服系统的性能。其工作过程是:输入的数据经过数控装置运算分配出指令脉冲,通过伺服机构(伺服元件常为步进电机)使被控工作台移动。这种机床工作比较稳定,反应迅速,调试方便,维修简单,但其控制精度受到限制。它适用于一般要求的中、小型数控机床。(2)半闭环控制数控机床半闭环数控系统的组成框图如图 13 所示。这种控制方式对工作台的20图1-4 闭环控制系统框图速度反馈位置反馈指令 位置比较电路速度控制电路A伺服电机C实际位置进行检查测量,而是通过与伺服电机有联系的测量元件,如测速发电机 A 和光电编码盘 B 等间接检测出伺服电机的转角,推算出工作台的实际位置量,用此值与指令值进行比较,用差值来实现控制。由于工作台没有完全包括在控制回路内,因而称之为半闭环控制。这种控制方式介于开环与闭环之间,精度没有闭环高,高度却比闭环方便。(3)闭环控制数控机床由于开环控制精度达不到精密机床和大型机床的要求,所以必须检测它的实际工作位置。为此,在开环控制数控机床上增加检测反馈装置,在加工中时刻检测机床移动部件的位置,使之和数控装置所要求的位置相符合,以期达到很高的加工精度。闭环控制系统框图如图 14 所示。图中 A 为速度测量元件,C 为位置测量元件。五五 普通机床数控化改造市场普通机床数控化改造市场21(一)改造的市场(一)改造的市场我国目前机床总量 380 余万台,而其中数控机床总数只有 11.34 万台,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 0.60.8万台,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,FMC/FMS 等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。所以必须大力提高机床的数控化率。(二)进口设备和生产线的数控化改造市场进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来,很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计,从 19791988 年 10 年间,全国引进技术改造项目就有18446 项,大约 165.8 亿美元。这些项目中,大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因,设备或生产线不能正常运转,甚至瘫痪,使企业的效益受到影响,严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后,有的消化吸收不好,备件不全,维护不当,结果运转不良;有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线,忽视软件、工艺、管理等,造成项目不完整,设备潜力不能发挥;有的甚至不能启动运行,没有发挥应有的作用;有的生产线的产品销路很好,但是因为设备故障不能达产达标;有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损;有的已引进较长时间,需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富,反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱,也是一批很大的存量资产,修好了就是财富。只要找出主要的技术难点,解决关键技术问题,就可以最小的投资盘活最大的存量资产,争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大22的改造市场。第二章第二章 C6140C6140 普通车床数改的总体方案普通车床数改的总体方案23加工工件 图纸图2-1 数改620-1B车床总体方案示意图步进电机变速箱步进电机车床数控程序 编程手工输入或变速箱功率放大器控制计算机计算机磁带一一 总体方案总体方案由于是经济型数控改造,所以在考虑具体方案时,基本原则是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。根据 C6140 车床有关资料以及数控车床的改造经验,确定总体方案为:采用微机对数据进行计算处理,由 I/O 接口输出步进脉冲,经一级齿轮减速后,带动滚珠丝杠转动,从而实现纵向、横向进给运动。如图 21 所示。(一)主传动系统和进给系统的改造(一)主传动系统和进给系统的改造C6140 型普通车床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制,而改造后的车床则把主传动系统和进给系统的运动分离开。分别由各自的步进电机来控制,但是为保证车床在车螺纹时主传动运动与进给运动之间的联系,所以在拆掉进给系统的同时,必须在主轴上安装一个脉冲发生器,来实现主轴传动和进给运动之间的联系。同时,为了提高机床的精度和效率,用滚珠丝杠来代替原机床的光杠,并且采用单独的步进电机来控制。这样不仅提高了机床的性能和精度,还提高了机床的使用性能。图 2-1 数改 C6140 车床总体方案示意图24齿轮图2-2 车螺纹及控制电路8086PID光电隔离电路主轴脉冲发生器主轴1. 机械部分的改造首先拆去进给箱、溜板箱;还要对车床的床鞍进行部分的改造,拆去纵向小拖板、 横向拖板的丝杠换成滚珠丝杠,并且由一端驱动的步进电机来控制。2. 刀架的改造C6140 普通车床的刀架不能满足数改后的车床的性能和精度的要求。所以,必须要换成数控自动刀架。(二)主轴脉冲发生器(二)主轴脉冲发生器由于 C6140 普通车床的主传动系统的精度及其灵活性基本满足数改后车床精度的要求。改造后的车床既需要考虑一定的技术要求,以实现造价低廉、经济方便的要求。所以在改造时,仍然保留原有的主传动系统,只是为了在车螺纹时保证主运动与进给运动的联系,在原床头 X 轴输出端上安装一个脉冲发生器,发生脉冲以使步进电机准确地配合主轴的旋转而产生进给运动,从而完成车削螺纹的动作,其车螺纹的控制电路如图 22 所示:C6140 普通车床在加工螺纹时,为了得到符合加工要求的螺距,就必须保证主轴和进给之间的联系。但是,在数改后的车床上,由于主轴的运动与进给运动之间没有机构上的直接联系,为了变成这些功能,就设置了主轴脉冲发生器,发出脉冲以使步进电机准确地配合主轴的旋转而产生进给运动,这样既可以解决了主轴转一转,车刀进给一个螺距的动作的问题,进而在单片机系统的控制下,保证这种联系25的顺利完成。(三)主轴脉冲发生器的结构及原理(三)主轴脉冲发生器的结构及原理 图 23(a)所示是脉冲发生器的结构原理图:图 23 主轴脉冲发生器示意图脉冲发生器的组成部分包括白炽灯、聚光镜、光栅盘、光阑板、光敏管及其光电整形放大电路组成。光栅盘和光阑板都是玻璃材料制成,玻璃表面经过研磨抛光后用镀膜法镀上一层不透光的铬层,透光条及用照相腐蚀法制成。在光栅盘上刻有明暗条纹,有单条和 1024 个条两组。当平行光束经过光栅盘时,在光栅盘的另一面就产生明暗光带,这光带通过一个光阑狭缝,照在对应的光敏管上,从而产生光电脉冲信号,经斯密特电路整形后输出。单条纹的一组产生同步脉冲,每转发一个脉冲;1024 条纹的一组通过光栏上两个相位差 /4间距的狭缝,产生两组每转 1024 个脉冲组相差为 /4 的脉冲序列,供给微机处理,借以判断主轴正、反转,且可以从 1024 个脉冲中均匀地取出 F 个脉冲,作为中断信号控制插补速度,实现 F 进给控制的目的。第三章第三章 数改数改 C6140C6140 车床传动装置设计车床传动装置设计26 数控机床的传动装置是指将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链及其附属机构。包括齿轮减速器、丝杠螺母副、导轨、工作台等。在数控机床数字调节技术领域,传动装置是伺机服系统中的一个重要环节,因此,数控机床的传动装置与普通机床中传动装置在概念上有重要差别,故它的设计也与普通机床传动装置的设计不同。数控机床传动的设计要求除了具有较高的定位精度外,还应具有良好的动态响应特性,即系统跟踪指令信号的响应要快,稳定性要好。为确保数控机床进给系统的传动精度和工作稳定性,在设计机械传动装置时,通常提出了无间隙、低磨擦、低惯量、高刚度、高谐振频率能及有适宜的阻尼比的要求。为了达到这些要求,采取主要措施如下:(1)尽量采用低摩擦的传动,如采用静压导轨、滚动导轨和滚动丝杠等,以减少摩擦力。(2)选用最佳的降速比,以达到提高机床分辨率,使工作台尽可能大地加速,以达到跟踪指令,系统折算到驱动轴上的转动惯量尽量小的要求。(3)缩短传动链以及预紧的办法提高传动系统的刚度。如采用大扭矩宽调速的直流电机与丝杠直接联接,应用预加负载的滚动导轨和滚动丝杠副,丝杠支承设计成两端轴向固定的,并可用预拉伸的结构等办法来提高传动系统的刚度。(4)尽量消除传动间隙,减少反向死区误差。如采用消除间隙的联轴器(如用加锥销固定的联轴套,用键加顶丝紧固的联轴套以及用无扭转间隙的挠性联轴器等) ,采用有消除间隙措施的传动副等。一一 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。滚珠丝杠副的结构原理示意图如图 31 所示,它可将旋转运动转变为直线运动,或者将直线运动转变为旋转运动。因此,滚珠丝杠副既是传动元件,也是直线运动与旋转运动相互转换的元件。2731 滚珠丝杠结构原理图(一)滚珠丝杠副的工作原理、特点及类型(一)滚珠丝杠副的工作原理、特点及类型弧形的螺旋槽,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 b,将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道,滚道内装满滚珠。当丝杠在滚道内既自转又沿滚道循环转动。因而迫使螺母(或丝杠)轴向移动。滚珠丝杠副的特点是:(1)磨擦损失小、传动效率高,高达 0.920.96(滑动丝杠为 0.20.40) 。(2)螺母之间预紧后,可以完全消除间隙,传动精度高、刚性好。(3)磨擦阻力小,且几乎与运动速度无关,动静磨擦力之差极小,不易产生低速爬行现象,保证了运动的平稳性。(4)磨损小,寿命长,精度保持性好。(5)不能自锁,有可逆性,即能将旋转运动转换为直线运动,也能将直线运动转换为旋转运动,可满足一些特殊要求的传动场合,但当立式使用时,28应增加制动装置。(6)工艺复杂,成本高。国产的标准滚珠丝杠副分为两类:定位滚珠丝杠副(P 类) ,即通过旋转角度和导程控制轴向位移量的滚珠丝杠副;传动滚珠丝杠副(T 类) ,即与旋转角度无关,用于传递动力的滚珠丝杠副。 此外,滚珠丝杠副通常还可根据其特征进行分类,如按制造方法的不同分为普通滚珠丝杠副和滚轧滚珠丝杠副;按螺母类型式分为单侧法兰盘单螺母型、双法兰盘双螺母型、圆柱双螺母型、圆柱单螺母型、简易螺母型及方螺母型等;按螺旋滚道型面分为单圆弧面和双圆弧面;按滚珠的循环方式分为:外循环和内循环式。(二)滚珠丝杠副的结构(二)滚珠丝杠副的结构目前国内外生产的滚珠丝杠副,尽管在结构上各种各样,其主要区别是在螺旋滚道型面的形状、滚珠的循环方式以及轴向间隙的调整和预加载的方法等方面。1. 螺纹滚道型面的形状及其主要尺寸螺旋滚道型面(即滚道法向截形)的形状有多种,常见的截形有单圆弧面和双圆弧型面两种。图 32 为螺旋滚道型面的简图,图中钢球与滚道表面接触点处的公法线与螺纹轴线的垂线间的夹角称为接触角 。理想接触角=45。2932 滚珠丝杠副螺旋滚道型面的形状 (a) 单圆弧 (b)双圆弧(1)型面 如图 32(a)所示,通常滚道半径 rn稍大于滚珠半径 rw,通常 2rn=(1.041.11)Dw。对于单弧型面的螺纹滚道,接触角 是随轴向负荷 F 的大小而变化。当 F=0 时,=0,承载后,随 F 的增大, 的大小由接触变形的大小决定。当接触角 增大后,传动效率 Ed、轴向刚度 Rc以及承载能力随之增大。(2) 圆弧型面 如图 32(b)所示,滚珠与滚道只在内相切的两点接触,接触角 不变。两圆弧交接处有一小空隙,可容纳一些脏物。这对滚珠的流动有利。单圆弧型面,接触角 是随负载的大小而变化,因而轴承刚度和承载能力也随之而变化,应用较少。双圆弧型面,接触角选定后是不变的,应用较广。 2. 丝杠副的循环方式常用的循环方式有两种:滚珠在循环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。30图 33 插管式外循环方式原理图1压板 2弯管(回珠管) 3螺母 4滚珠(1)外循环 外循环多用螺旋槽式和插管式。图 33 所示为常用的插管式,被压板 1 压住的弯管 2 的两端插入螺母 3 上与螺纹滚道相切的两个孔内,引导滚珠 4 构成循环回路。特点是结构简单、制造方便。但径向尺寸较大,弯管端部容易磨损。若不用弯管,在螺母 3 的两个孔内装上反向器,引导滚珠通过螺母外表面的螺旋凹槽形成滚珠循环回路,则称为螺旋槽式,其径向尺寸较小,工艺也较简单。外循环式使用较广,其缺点是滚道接缝处很难做得平滑,影响滚珠滚动的平稳性。(2)内循环 内循环均采用反向器实现滚珠循环,反向器有两种型式。如图 34(a)所示为圆柱凸键反向器,反向器的圆柱部分嵌入螺母内,端部开有反向器槽 2。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键 1 定位,以保证对准螺纹滚道方向。图 34(b) 为扁圆镶块反向器,反向器为一半圆头平键形镶块,镶块嵌入螺母的切槽中,其端部开有反向槽 3,用镶块的外廓定位。两种反向器比较,后者尺寸较小,从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。31 图 34 内循环方式原理图 1凸键 2、3反向器内循环反向器和外循环反向器相比,其结构紧凑、定位可靠、刚性好、且不易磨损、返回滚道短、不易发生滚珠堵塞、磨擦损失也小。其缺点是反向器结构复杂、制造困难、且不能用于多头螺纹传动。 由于滚珠在进入和离开循环反向装置时容易产生较大的阻力,而且滚珠在反向通道中的运动多属前珠扒后珠的滑移运动,很少有“滚动” ,因此滚珠在反向装置中的摩擦力矩 M反在整个滚珠丝杠的摩擦力矩 Mt中所占比重较大,而不同的循环反向装置由于回珠通道的动轨迹不同,以及曲率半径的差异,因而 M反/Mt值较小。 二二 纵向进给系统的设计与计算纵向进给系统的设计与计算经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠,螺母固定在溜板箱上,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。对车床改造来说,外观不必象产品设计要求的那么高,而从改造方便,实用方面来考虑。一般都把步进电机放在纵向滚珠丝杠的左端。(一)纵向进给系统的设计计算(一)纵向进给系统的设计计算电机初步估算转速为 1500r/min,进给速度 Vmax=4m/min根据机械设计手册可知:32 ;hPmaxmaxinV为滚珠丝杠的基本导程 mm;hPVmax丝杠的最大移动速度 mm/min;nmax丝杠副最大相对转速 r/min;i传动比 则: mmPh13. 2150025. 14000所以根据滚珠丝杠基本导程的基本系列可在机械设计手册中查到Ph,选 Ph=6mm。已知条件:工作台重量: W=95kgf=950N 步距角: 0.75 /setp滚珠丝杠基本导程: L0=6mm行程: S=1000mm脉冲当量 快速进给速度: =4m/minmaxV切削力计算 由机床设计手册可知,切削功率 cNN K式中 N电机功率,查机床说明书,N=7.5kw; 主传动系统总效率,一般为 0.6-0.7 取=0.65; K进给系统功率系数,取为 K=0.96。则:=7.5 0.65 0.96=4.68kwcN0.01/pmm setp33 又因为61200vFNzcvNFcz61200式中 切削线速度,取 =150m/min。vv主切削力 (N)44.190915068. 461200zF由金属切削原理可知,主切削力: FFZZZZYXZFpFFC afK式中: 切削深度(mm) ; 进给量(mm/r) ;paf总修正系数; FZK从机床设计手册中可得知,在一般外圆车削时: (0.1 0.6)XZFF(0.15 0.7)YZFF取: =0.5 1909.44=954.72N;0.5XZFF =0.6 1909.44=1145.664N。0.6YZFF(二)滚珠丝杠设计计算(二)滚珠丝杠设计计算根据经济型数控机床系统设计可知,综合导轨车床丝杠的轴向力: ;()XZPKFfFW式中、为 X、Z 方向上的切削力;XFZF34 导轨的摩擦系数; W为工作台的重量;f K考虑颠覆力矩影响的实验系数。其中 K=1.15, =0.150.18,取为 0.16;f则: P=1.15 954.72+0.16 (1909.44+950)=1555.45N;(1)计算:寿命值: =;iL66010iinT 为滚珠丝杠当量转速; 使用寿命时间(h) ;iniT由以上条件,可以确定步进电机与滚珠丝杠齿轮之间的传动比:=1.25;pLi36000.75 6360 0.01由于电机轴与滚珠丝杠之间是降速传动,所以滚珠丝杠的转速为: =;maxn1ni电机11500 /min1200 /min1.25rr由机械设计手册可知,当量转速在之间变化时:inmaxminn与n ;maxmin2innn取为 1r/min;minn则: ;1200 1600.5 /min2inr取 =600;in/minr35则: =(转)660 600 1500010Li6540 10最大动负载: 3iWHQL Pff其中: P滚珠丝杠的轴向力; 寿命值;iL运动系数; 硬度系数;WfHf从经济型数控机床系统设计表中可查到:=1.2 ; =1;WfHf 则: 。3540 1.2 1 1555.4515199.5899QN 根据最大动负载荷 Q 的值,可选择滚珠丝杠的型号。可在机械计手册中查到适合的滚珠丝杠。型号为 CMFZD40063.53 额定动载荷18,800N,所以强度足够用。(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: ;()tgtg式中:为螺旋升角; 为摩擦角。其中: 00Ltgd为滚珠丝杠基本导程; 为滚珠丝杠的公称直径;0L0d =;63.14 40arctgarc2 44滚珠丝杠副的滚动摩擦系数=,其中摩擦角可计算为:f0.003 0.00436 =arctg=;f21 则:。93. 0)21442(442tgtg(3) 刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程变化量: ;EFPLL01式中: 滚珠丝杠的基本导程(cm) ; P工作负载(N) ;0L E弹性模量; F滚珠丝杠截面积(按内径定) (cm2) ;滚珠丝杠截面积: ;22dF其中: ;022ddeR式中: 滚珠丝杠滚道圆弧偏心距; R滚道圆弧半径;e其中: ;/2 cosWeRD ;1.04/2WRD式中: 滚珠直径; 接触角;WD37根据机械设计手册中的滚珠标准系列选=4mm;=45WD 则: R=;41.04/21.042.082WDmm;4/2 cos2.08cos450.0572WeRDmm ;022402 0.0572 2.0835.95ddeRmm ;2223.59533.1410.14722dFcm因此:;cmEFPLL66011046. 4147.10106 .206 . 045.1555滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小,可忽略。2L即:;1LL所以,导程变形总误差为:。mmLL/43. 71046. 46 . 010010060查表可知 3 级精度滚珠丝杠允许的螺距误差(1 米)长为 19,故刚/um m度够用。(4) 稳定性验算由于滚珠丝杠两端采用固定支承,所以稳定性没有问题。(三)齿轮及转距的有关计算(三)齿轮及转距的有关计算(1) 有关齿轮计算38传动比 :i;25. 101. 0360675. 03600pLi故取:Z1=32; Z2=40; m=2; b=20mm; =20;a; ;112 3264dmZmm222 4080dmZmm; ;112*68aaddhmm222*84aaddhmm 。1264807222ddamm(2) 转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量: ;2222155. 55 .5595)75. 014. 301. 0180()180(NgcmkggmmWJp丝杠的转动惯量: ;4417.8 10sJD L式中:滚珠丝杠的公称直径; 丝杠长度;D1L则: 224452.299952.291504108 . 7NgcmkgcmJs齿轮的转动惯量:;244117.2624 . 6108 . 7NgcmJz;24429 .6328108 . 7NgcmJz 电机的转动惯量很小可忽略。因此,总转动惯量:39 223 .26455. 517.26)9 .6352.299(25. 11Ngcm(3) 所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩: ;max0fMMMM最大切削负载时所需力矩: ;0atftMMMMM快速进给时所需力矩: ;0fMMM 式中:空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩;maxM折算到电机轴上的摩擦力矩;fM由于丝杠预紧所引起,折算到电机轴上的附加摩擦力矩;0M切削时折算到电机轴上的加速度力矩;atM折算到电机轴上的切削负载力矩;tM ;NgmTJnMa4106 . 9当时:maxnn ;maxaaMM21121sZZJJJJJi40 ;min/33.833625. 14000maxmaxrPiVnh ;kgfgcmNgmMa77.91177. 910025. 06 . 933.83343.264max当时:tnn ;aatMM ;min/17.142625. 13 . 02114. 31501000100000rLfiDvLfinnit ;kgfgcmNgmMat7 .1557. 110025. 06 . 917.14243.264 ;00022fF Lf WLMihi当时,时:0.8h 0.16f ;NgcmkgfgcmMf522.144522. 125. 18 . 014. 326 . 09516. 0 ;0020012P LMi当=0.9 时预加载荷,则:013bXPFNgcmkgfgcmiLFMx776. 55776. 025. 18 . 014. 36)9 . 01 (6 . 0472.956)1 (22000;NgcmkgfgcmiLFMxt2 .9112. 925. 18 . 014. 326 . 0472.952041所以,快速空载启动所需力矩: max0afMMMM =917.7+14.522+5.776=738.000Ngcm;切削时所需力矩:0atftMMMMM =15.7+1.4522+0.5776+9.12=26.85kgfgcm=268.5Ngcm;快速进给时所需力矩:M=Mf+M0=1.4522+0.5776=2.0298kgfgcm=20.298Ngcm;由上分析计算可知,所需最大力矩发生在快速启动时:maxMMmax=738.000Ngcm。三三 横向进给系统的设计与计算横向进给系统的设计与计算经济型数控改造的横向进给的设计比较简单,一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠,使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上,用法兰盘将步进电机和机床和机床大拖板连接起来,以保证其同轴度,提高传动精度。(一)横向进给系统的设计计算(一)横向进给系统的设计计算由于横向进给系统的设计计算与纵向类似,所用到的公式不在详细说明,只计算结果。电机初步估算转速为 1500r/min,进给速度=2。maxV/minm根据机械设计手册可知;inVPhmaxmax则: ;mminV07. 125. 115002000maxmax42根据机械设计手册可查到滚珠丝杠的标准系列,初选。4hPmm已知条件如下:工作台重量:; 300WN 脉冲当量:;0.005/mm step步距角:;0.75 /astep 进给速度:;max2/minVm 滚珠丝杠基本导程:;04Lmm滚珠丝杠行程:;650Smm(1) 削力计算横向进给量为纵向的,取,则切削力约为纵向的:11231212 ;11909.44954.722ZFN在切断工件时:;0.50.5 954.72477.36yZFFN(二)滚珠丝杠设计计算(二)滚珠丝杠设计计算(1) 强度计算对于燕尾型导轨:;()yZPKFfFW取 K=1.4,=0.2;f 则: ;1.4 477.360.2954.72300919.248PN43寿命值: ;66010iiinTL 由以上条件,可以确定步进电机与滚珠丝杠齿轮传动比: ;67. 1005. 0360475. 03600pLi由于电机轴与滚珠丝杠之间是降速传动则: ;max131500900 /min5nVri电m ax由机械设计手册可知,当量转速在之间变化时:mVmaxminVV与 ;maxmin2mVVV取为时,;取;minV1 /minr450.5 /minmVr450 /minmVr因此: ;666060450 150004051010iiinTL根据经济型数控机床可知,最大动负载为:。33405919.248 1 1.28161.42iWHQL PffN 根据最大负载 Q 值,可选择滚珠丝杠的型号,外循环插管埋入式双螺母预紧式的滚珠丝杠,型号为 20042.53 左,其中额定动载荷为 14200N,所以强度够用。(2) 效率计算经计算螺旋升角,摩擦角;2 30 10则:。2 300.926()(2 3010 )tgtgtgtg44(3) 刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量:;60162919.248 0.4 42.71 1020.6 103.14 (2.8964)PLLcmEF :滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小,即:。所以,导程2L:1LL:变形总误差为: ;61002.71 106.78/0.4um m:查表可知 3 级精度丝杠允许的螺距误差(1m)为 15,故刚度足够。/um m(4) 稳定性由于选用的滚珠丝杠的直径与丝杠直径相同,而支承方式由原来的一端固定,一端悬空,变为一端固定,一端径向支承,所以稳定性增强,故不再验算。(三)齿轮及转矩有关计算(三)齿轮及转矩有关计算(1) 有关齿轮计算传动比: ;00.75 451.67360360 0.0053pLi故取:,118Z 230Z 2m 20bmm20a 136dmm,。260dmm140admm264admm48amm(2) 转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量: ;2221180180 0.005300.04393.14 0.75pJWkg cm:45丝杠转动惯量: ;4427.8 103.2604.907sJkg cm:齿轮的转动惯量: ;44217.8 103.620.262ZJkg cm: ;44227.8 10622.022ZJkg cm:电机转动惯量很小可忽略,因此转动惯量为:(3) 所需转动力矩计算;maxmax052000 53833.333 /min4 3VnrL44maxmax2.801 833.3310100.9739.739.69.6 0.025aJnMN mkgf cmT:;01000 150 0.15 549.76 /min3.14 60 4 3tn finrDL 主;42.801 49.76100.0580.589.6 0.025atMN mkgf cm:0000.2 30 0.4 30.2870.0287222 3.14 0.8 5F Lf WLMfkgf cmN cmii:2200047.736 0.4 311 0.90.1440.01446060 3.14 0.8 547.736 0.4 32.280.22822 3.14 0.8 5YYtF LMkgf cmN cmiF LMkgf cmN mi:所以,快速空载启动所需转矩: max09.730.2870.14410.161101.61afMMMMkgf cmN cm:切削时需力矩:222112134.9072.0220.2620.04392.8015sZZJJJJJkg cmi:4600.580.2870.1442.283.29132.91attMMMMkgf cmN cm: 快速进给时所需力矩:。00.2870.1440.4314.31fMMMkgf cmN cm:从上计算可,最大转矩发生在快速进给启动时:max101.61MN cm:四四 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法滚珠丝杠副的轴向间隙,是指负载时滚珠与滚道型面接触的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。滚珠丝杠副的轴向间隙直接影响其传动刚度和传动精度,尤其是反向传动精度。因此,滚珠丝杠副除了对本身单一方面的进给运动精度有要求外,对其轴向间隙也有严格的要求。滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧,通常采用双螺母预紧方式,其结构型式有三种。基本原理是使两个螺母间产生轴向位移,以达到消除间隙和产生预紧力的目的。1垫片调隙式 图 35 所示结构。是通过改变垫片的厚度,使螺母产生轴向位移。这种结构简单可靠、刚性好,但调整费时,且不能在工作中随意调整。35 双螺母垫片式结构图2螺帽调隙式 47图 36 所示为利用螺帽来实现预紧的结构,两个螺母以平键与外套相联,键可限制螺母在外套内移动,其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹。用两个锁紧螺帽 1、2 能使螺母相对丝杠作轴向移动。这种结构既紧凑,工作又可靠,调整也方便,故应用较广。但调整位移量不易精确控制。这种结构既紧凑,工作又可靠,调整也方便,帮应用较广。但调整位移量不易精确控制,因此,预紧力也不能准确控制。36 双螺母帽式结构图 1、2 锁紧螺帽 3齿差调隙式 图 37 所示为齿差式调整结构。在两个螺母的凸缘上分别有齿数为Z1、Z2的齿轮,而且 Z1、Z2与相应的内齿圈相啮合。内齿圈紧固在螺母座上,预紧时脱开内齿圈,使两个螺母同向转过相同的齿数,然后再合上内齿圈。两螺线的轴向相对位置发生变化从而实现间隙的调整和施加预紧力。如果其中 48图 37 双螺母齿差式结构图一个螺母转过 n 个齿时则其轴向位移量为(Ph为丝杠导程,Z1为齿轮1hnsPZ齿数) 。如两齿轮沿同方向各转过 n 个齿时,其两螺母间相对轴向位移量(Z2为另一齿轮齿数)或。例21121211hhZZnPsnPZZZ Z1221hsZ ZnZZP如:当 n=1,Z1=99,Z2=100,,即两个螺母在轴向产生 1的1019900hPumum位移。这种调整方式的结构复杂,但调整准确可靠,精度较高。除上述三种双螺母加预紧力的方式外,还有单螺母变导程自预紧和单螺母钢球过盈预紧方式。五五 滚珠丝杠副的安装结构滚珠丝杠副的安装结构(一)支承结构(一)支承结构为拉高伟动刚度,应合理确定滚珠丝杠副的参数、螺母座的结构、丝杠两端的支承型式,以及它们与机床的联接刚度。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,螺母座宜增添加强筋,加大螺母座和机床结合面的接触面积,均可提高螺母的局部刚度和接触刚度。同时,注意轴承的选用和组合,尤其是轴向刚度要求较高。为了提高支承的轴向刚度,选择适当的滚动轴承及其支承方式是十分重要的。常用的支承方式有下列几种,如图 38 所示。(1)一端装止推轴承(固定自由式) 如图 38(a)所示。这种安装方式的承载能力小,轴向刚度低,仅适应于短丝杠。如数控机床的调整环节或升49降台式数控铣床的垂直坐标中。(2)一端装止推轴承,另一端装深沟球轴承(固定支承式) 如图 38(b)所示。滚珠丝杠较长时,一端装止推轴承固定,另一端由深沟球轴承支承。为了减少丝杠热变形的影响,止推轴承的安装位置应远离热源(如液压马达) 。(3)两端装止推轴承 如 38(c)所示。将止推轴承装在滚珠丝杠的两端,并施加预紧力,有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。(4)两端装双重止推轴承及深沟球轴承(固定固定式) 如图 38(d)所示。为了提高刚度,丝杠两端采用双重支承,如止推轴承和深沟球轴承,并施加预紧力。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。 38 滚珠丝杠的支承结构 六六 进给系统传动齿轮间隙的消除进给系统传动齿轮间隙的消除(一)采用减速箱的目的及注意事项(一)采用减速箱的目的及注意事项为了保证步进电机的启动性能,要特别考虑负载惯性矩。当所带负载的惯性矩增大时,由于步进电机是按电磁铁吸力原理来动作,所以当惯性矩增大到某一值时,就会使步进电机产生擅动就会产生启动不良效果,所以,使用步进电机时尽量选小的负载。在本次设计过程中我们采用减速齿轮来联结滚珠丝杠50和步进电机,以达到改变惯性矩的目的。同时,应该尽可能地消除配对齿轮之间的间隙,否则就会产生使运动滞后的指示信号的误差,对加工件的精度就会产生很大的影响。(二)减少或消除空程的必要性和方法(二)减少或消除空程的必要性和方法1. 减少或消除空程的必要性数控机床的传动精度,除了机床的几何精度、丝杆精度影响外,又受其本身因素的影响,产生滞后现象而引起的间隙误差。在这次设计改造过程中只能采用开环系统,数控系统不能对车床的误差进行修改,所以只能通过机械的方式对其各部分传动误差进行修改。2. 消除方法本次设计采用双片齿轮来达到消隙的目的,通常将一对齿轮的从动齿制成两片,其中一片固定在轴上,两片之间装有弹簧,弹簧力使两片齿轮的齿廓分别与主动齿轮的齿廓贴紧,从而完全消除了齿侧间隙。51第四章第四章 数改数改 C6140C6140 自动刀架设计自动刀架设计在零件的加工制造过程中,大量的时间用于更换刀具,装卸、测量和搬运零件等非切削时间上,切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。数控机床要提高效率的重要内容之一,就是要缩短非切削时间。为此,近年来带有自动换刀装置的数控机床(加工中心)得以迅速的发展。自动换刀装置已广泛用于各种多工序数控机床,台镗床、铣床、车床及组合机床等。使用这种装置,不仅提高了机床的生产效率,扩大了单功能数控机床的使用范围,而且由于零件在一次安装中完成多工序加工,大大减少了零件安装定位次数,从而提高了加工精度。自动换刀数控机床上,对自动换刀装置的基本要求是:换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具存储量、刀库占地面积小及安全可靠等。一一 自动刀架的分类自动刀架的分类 1.螺旋转位刀架 2.十字槽轮转位刀架 3.凸台棘爪式转位刀架 二二 自动刀架的设计自动刀架的设计从自动转位刀架的工作原理可知,这类刀架由控制系统直接控制,刀架能自动完成抬起、回转、选位、下降、定位和压紧这样一系列的动作,下面是数52改 CA6140 车床自动刀架的工作过程如下:1.刀架抬起当数控装置发出换刀指令后,步进电机启动正转,通过平键套筒联轴器使蜗杆轴 1 转动,从而带动蜗轮 2 转动。蜗轮与转轴连接在一起,因此一起转动,刀架体 7 的内孔加工有螺纹,与转轴连接在一起的丝杠套 5 外圈有螺纹。当蜗轮开始转动时,由于刀架底座 3 和刀架体 7 上的端面齿处在啮合状态,且丝杠套轴向固定,因此这时刀架体 7 抬起。2.刀架转位当刀架体抬至一定距离后,端面齿脱开,转位套 8 用销钉与丝杠套联接,随转轴一同转动,当端面齿完全脱开时,转位套正好转过 60 度,球头销 11 在弹簧力的作用下进入转位套 8 的槽中,带动刀架体转位。3.刀架定位刀架体 7 转动,当转到程序指定的刀号时,粗定位销 4 在弹簧的作用下进入刀体底座的粗定位盘的槽中进行粗定位,同时霍尔开关发出电机反转的指令,使电机反转。由于粗定位销的限制,刀架体 7 不能转动,使其在该位置垂直落下,刀架体 7 和刀架底座 3 上的端面齿啮合实现精确定位。4.夹紧刀架电动机继续反转,此时蜗轮停止转动,蜗杆轴 1 自身转动,当两端面齿增加到一定夹紧力时,电动机 1 停止转动,实现了夹紧。5354图 41 自动转位六方刀架55第五章第五章 数改数改 61406140 步进电机的设计步进电机的设计一一 步进电机的工作方式步进电机的工作方式步进电机的工作方式和一般电机的不同,是采用脉冲控制方式工作的。只有按一定的规律对各相绕组轮流通电,步进电机才能实现转动。数控机床中采用的功率步进电机有三相、四相、五相、和六相等。工作方式有单 m 拍,双m 拍、三 m 拍及 2m 拍,m 是电机的相数。所谓单 m 拍是指每拍只有一相通电,循环拍数为 m;双 m 拍是指每拍同时有两相通电,循环拍数为 m;三m 拍是每拍有三相通电,循环拍数为 m 拍;2m 拍是各拍既有单相通电,也有两相或三相通电。一般电机的相数越多,工作方式越多。由步距角计算可知,循环拍数越多,步距角越小,因此定位精度越高。另外,通电循环拍数和每拍通电相数对步进电机的矩频特性、稳定性等都有很大的影响。步进电机的相数也对步进电机的运行性能有很大影响。为提高步进电机输出转矩、工作频率和稳定性,可选用多相步进电机,并采用 2m 拍工作方式。二二 步进电机的选择步进电机的选择(一)步进电机选用的基本原则(一)步进电机选用的基本原则合理选用步进电机是比较复杂的问题,需要根据电机在整个系统的实际工作情况,经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下:(1)步距角 步距角应满足:;mnai式中:传动比;i 系统对步进电机所驱动部件的最小转角。mna56(2) 精度步进电机的精确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: Qi式中: 步进电机的积累误差;m 系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。s(3) 转距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:(4) 启动力矩一般启动力矩选取为:00.30.5LMM : 式中:电动机启动力矩;qM电动机静负载力矩。0LM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动机转动惯量(包括负载的转动惯量)引起的惯性矩之和。(5)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:topmff式中: 极限启动频率;tf57 要求步进电机最高启动频率;opmf(二)数改(二)数改 C6140C6140 纵向进给系统步进电机的确定纵向进给系统步进电机的确定0938.07818LqMMN cm:为了满足最小步距要求,电动机选用三相六拍工作方式,查表知:;/0.866qjmMM所以,步进电机最大静转距为:jmM1876.162166.460.8660.866qjmMMN cm:步进电机最高工作频率:maxmax40006666.66060 0.01pvfHz综合考虑,查表选用 130BF003 型直流步进电动机,能满足要求。(三)数改(三)数改 C6140C6140 横向进给系统步进电机的确定横向进给系统步进电机的确定0101.61LqMMN cm:为了满足最小步距要求,电动机选用三相六拍工作方式,查表知:;/0.866qjmMM所以,步进电机最大静转距为:jmM203.23234.670.8660.866qjmMMN cm:58步进电机最高工作频率:maxmax20006666.66060 0.005pvfHz综合考虑,查表选用 110BF003 型直流步进电动机,能满足要求。第六章第六章 数改数改 61406140 车床导轨设计车床导轨设计59一一 导轨的作用导轨的作用导轨的作用主要是对运动部件起导向和支撑作用,也就是支撑运动部件(如刀架、工作台等) ,并保证运动部件在外力作用下能准确沿着规定方向运动。因此,导轨的制造精度及性能对机床加工精度、承载能力等有着重要影响。数控机床对导轨主要有以下几方面要求。(1)导向精度高 导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时与有关基面之间的相互位置的准确性。无论空载还是加工,导轨都应具有足够的导向精度。这是对导轨的基本要求。各种机床对于导轨本身的精度都有具体的规定或标准,以保证导轨的导向精度。(2)精度保持性好 精度保持性是指导轨能否长期保持原始精度。影响精度保持性的主要因素是导轨的磨损,此外,还与导轨的结构形式及支撑件(如床身)的材料有关。数控机床的精度保持性要求比普通机床高,应采用摩擦系数小的滚动导轨,塑料导轨或静压导轨。(3)足够的刚度 机床各运动部件所受的外力,最后都由导轨面来承受,若导轨受力后变形过大,不仅破坏了导向精度,而且恶化了导轨的工作条件。导轨的刚度主要取决于导轨类型、结构形式、尺寸大小、导轨与机床本身的连接方式、导轨材料、表面加工质量等。数控机床的导轨截面积通常较大,有时还需要在主导轨外添加辅助导轨来提高刚度(4)良好的摩擦特性 数控机床导轨的摩擦系数要小,而且动、静摩擦因数应尽量接近,以见效摩擦阻力和导轨热变形,使运动轻便平稳,低速无爬行。此外,导轨结构工艺性要好,便于制造和装配。便于检验、调整和维修,而且有合理的导轨防护、润滑设施等。机床导轨按其接触面间的摩擦性质可以分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三种。目前,数控机床上常用有直线滚动导轨副和镶粘塑料的滑动导轨。二二 塑料导轨软带塑料导轨软带 导轨软带的材料以聚四氟乙烯为机体,加入青铜粉、二硫化钼、石磨等填充药混合烧结,并做成厚度为 0.1-2.5mm 的软带状。目前比较常见的导轨软带60有国外的 Turcite-B 导轨软带以及国产 TSF 塑料软带。塑料导轨软带有以下几个显著的特点。0200400600800100012000.0100.0200.0300.0400.0500.0600速度/(mm/min)摩擦因数 图 6-1 滑动导轨的摩擦速度特性曲线摩擦性能好 铸铁淬火导轨副的静摩擦因数、动摩擦因数相差较大,几乎相差一倍。而金属聚四氟乙烯导轨软带的静、动摩擦因数基本不变。图 6-1 为 TSF-铸铁导轨和铸铁-铸铁导轨的摩擦-速度特性曲线。由图可见,铸铁-铸铁导轨副即使在有润滑的条件下,摩擦因数也很大,且随速度 v 的增大而降低,摩擦-速度曲线斜率为负值。而塑料-铸铁导轨副的摩擦因数很低,曲线为正斜率,无论干摩擦或有润滑都是这样,表明了具有良好的摩擦特性,能防止低诉爬行。耐磨性好 除了摩擦因数低外,聚四氟乙烯导轨软带材质中含有青铜、二硫化钼和石墨,因此,本是很即具有润滑作用,对润滑油的供油量要求不高,采用间歇式供油即可。此外塑料质地较软,即便嵌入金属碎屑、灰尘等,也不至损伤金属导轨面和软带本身,可延长导轨副的使用寿命。减振性好 塑料有很好的阻尼性能,其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大的意义。工艺性能好 可降低对粘贴塑料的金属导轨基体的硬度和表面治疗要求,而且塑料易于617-1 数控系统硬件框图I/O接口CPU外设存储器RAMROM控制信号信号变换加工,使导轨副接触面获得良好的表面质量。此外,还有化学稳定性好,维修方便,经济性好等优点。黏结材料 图 6-2 塑料导轨软带的粘结塑料导轨软带的粘结方法简单,通常采用黏结材料将其贴在所需处,作为导轨表面。其工艺如下:首先将导轨粘贴面加工至表面粗糙度 3.21.6,有时为了起定位作用,导轨粘贴面加工成 0.51mm 深的凹槽,如图 6-2 所示;用汽油或金属清洗或丙酮清洗导轨粘贴面后,用胶黏剂粘合导轨软带,加压初固化 12h 后再合拢到配对的固定导轨或专用夹具上施以一定的压力,并在室温固化 24h,取下清除余胶,即可开油槽和进行精加工。第七章第七章 数控系统硬件电路设计数控系统硬件电路设计62一一 数控系统基本硬件组成数控系统基本硬件组成任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础,其性能的好坏,直接影响整个系统的工作性能。有了硬件,软件才能有效地运行机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成。(1)中央处理单元 CPU(2)总线。包括数据总线(DB) 、地址总线(AB)和控制总线(CB) 。(3)存贮器。包括只读可编程存贮器和随机读写存贮器。(4)I/O 输入/输出接口电路。其中 CPU 是数控系统的核心,作用是进行数据运算处理和控制各部分电路直协调工作。存贮器用于存放系统软件,应用程序和运行中所需要的各种数据。I/O 接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是 CPU 与存贮器、接口以及其它转换电路联接的纽带,是 CPU 与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件框图如 61 所示。由于 MCS51 系列单片机在我国机床数控改造方面应用较普遍,其配套芯片价廉,普及性、通用性强,制造和维修方便,完全能够满足经济型数控车床改造的需要。C6140 数控改造以 8031CPU 组成的单板机为数控控制系统。63也可直接购买国内较好的数控系统系列产品做为数控装置,如南京大方数控设备公司生产的 JWK 系列数控产品。二二 单板机控制系统的设计单板机控制系统的设计1. 硬件配置存贮器选用 1 片 4K8 的 2732EPROM 和 1 片 8K8 位的 6234RAM。监控程序固化在 2732EPROM 内,各功能模块程序及常用零件的的加工存放在2732EPROM 内。1 片 6234RAM 做为调试程序存放和运行程序的中间数据存放用。I/O 接口芯片选用 8155 可编程 I/O 扩展接口,它的 A 口做为 X、Y 进给系统步进脉冲的输出口,其中 PA0PA2为 X 向的输出口,PA3PA5为 Y 向输出口。B 口为为位控方式,其中 PB4PB7为-Y、+Y、-X、+X 的行程越位信号输入。显示由 8 位 LED 构成,具有 24 键的键盘。2. 存贮器空间分配单板机可寻址范围是 64K 字节,板上提供的插座占 16K,已插入的芯片占10K,其余以备扩展使用。其存贮空间分配如下。0000H07FFH 2KB EPROM 放监控程序0800H0FFFH 2KB EPROM 放零件加工程序1000H17FFH 2KB RAM 调试程序2000H27FFH 2KB RAM 测试程序等3. I/O 口地址分配单板机设置 I/O 口地址为 809FH 共 32 个口地址,分配如下。80H83H MCS51 803184H87H 字形锁存88H8BH 字位锁存8CH8FH 读键值90H9FH 用户使用4. 光电隔离电路64在步进电机驱动电路中,脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高,电流较大,如果将输出信号与功率放大器直接相联,将会引起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作,重则导致计算机和接口电路损坏。所以一般在接口电路功率放大器之间都要接上隔离电路。第八章第八章 CA6140CA6140 生产成本及经济技术分析生产成本及经济技术分析65技术经济学识一门新兴的边缘学科,闯入经济学领域后,只几年时间,技术经济分析就成了决定企业技术改造、项目投资必不可少的关键手段,编制可行性研究已是申请、审批项目必不可少的程序。反之,经济的技术问题,本应是技术部门研究的一个重要课题,却没有引起人们系统地去考虑。经济的需要是技术进步的动力,而技术的进步是推动经济发展的手段,振兴经济靠技术。经济问题,从技术方面来分析,是工程技术人员参予企业管理一个很重要的方面。为此我从这次的毕业设计CA6140 的数控改造,来对它的成本进行一个大体的分析。本次对 CA6140 的数控改造,保留了原有的床头箱,也就是主传动系统未变,把车床的进给传动系统和刀架改成了数控机床用的,其中原来的纵向和横向进给系统改成了由滚珠丝杠副代替光杠的传动,这样原有的刀架改成了数控六方刀架,另外床鞍也有一些小的改动。对于本次改造,应尽量改动得越少,降低成本,改动得越好,提高加工精度,缩短加工工时。对于加工滚珠丝杠,比加工一般的光杠成本要高,再加上其附属结构,其成本比原来还高。但是,由于用了滚珠丝杠,就使得原来传动箱的一大串齿轮省去了,这样也就很大的节约了加工齿轮的材料和工时,降低了成本。由于数控六方刀架的成本也比原来的贵很多,所以当加以数控改造时,其该着成本不会超过 1 万,原机床 CA6140 生产厂家在东北有沈阳和牡丹江机床厂,其出厂价一般不到 5 万,也就是说改造之后的车床成本比原有成本高不到 20%。但是当工厂买下此产品进行工作时,可以大大节约加工时间,提高加工效率。按原有的机床分析:以每一个工人工 1000 元/月计算,每天工作10 小时,其中可生产的工件单位 100 个,其生产出的价值按 1500 元/月计算,则厂家的毛利润 500 元/月。当机床数控改后,由于大大节约了加工工时,在同样的时间内,工人生产的产品能达到原来的 2-5 倍,甚至更高,就以两倍的关系计算,工人同样每天 10 小时,加工的产品数量为 200 个,工资基本不变,任为 1000 元/月,其生产出的价值变为 3000 元/月,这样工厂的毛利润变成2000 元/月,经过不了多长时间,改造成本就回来了,同时还大大的盈利了。第九章第九章 结结 论论66随着微电子技术的发展,我国的机床数控化在近十年来有了很大的发展,而普通机床的数控化改造后在满足完成同样的加工任务的前提下,可大大降低技术改造的投资经费,在实际中得到广泛应用。基于对 C6140 普通车床进行经济型数控改造设计过程中,我认为普通机床的数控改造具有很多的优点、必要性及其良好的发展趋势。全功能的数控系统虽然功能丰富,但成本高,我国的一般中小企业购置困难,但是中小型企业为了发展生产,希望对原有机床进行改造,进行数控化、自动化、以提高生产效率。经济型数控机床系统就是结合现实的生产实际,我国的国情,在满足系统基本功能的前提下,尽可能降低价格。目前我国经济型数控系统发展迅速,研制了几十种简易 NC 系统,有力地促进了我国数控事业的发展。改造后的车床,可手动、机动操作,操作简单,使用方便,价格低廉,其性能价格比适中;而且还能解决复杂零件的加工精度控制问题,节约大量工装费用,减轻工人的劳动强度,提高工人素质。企业应用经济型数控对设备进行改造后,增强了企业应变能力,为提高企业竞争能力创造了条件,提高了加工精度和批量生产的能力,提高了设备自身对产品更新换代所需要的应变能力,增强了企业的竞争能力。参考文献参考文献1、吴祖育,秦鹏飞.数控机床.上海:上海科学技术出版社.1994:242-245672、谭浩强.微型计算机原理及应用.北京:清华大学出版社.2002:77-82 3、韩鸿鸾.荣维芝.数控机床的结构与维修.北京:机械工业出版社.2004 4、朱大先.金属切削手册.上海:上海科学技术出版社.20015、哈工大.机床设计图册.上海:上海科学技术出版社.1983:15-33 6、李洪.实用机床设计手册.辽宁:辽宁科学技术出版社.19997、龚仲华.数控技术.北京:机械工业出版社.2003:32-47 8、成大先.机械设计手册第四版.北京:化学工业出版社.20029、宋天麟.数控机床及其使用与维修.南京:东南大学出版社.2003:85-8810、胡乾斌.单片微型计算机原理与应用.武汉:华中科技大学出版社.2003:25-7711、张永康.金属切削原理与刀具.北京:机械工业出版社.2001:25-4412、严爱珍.机床数控原理与系统.北京:机械工业出版社.1999:48-9513、董献坤.数控机床结构与编程.北京:机械工业出版社.2001:62-99 14 王勇章.机床的数字控制技术.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.1995:92-10315、何德原.机床故障与维修.北京:机械工业出版社.1996:102-11916、陈婵娟.数控车床设计.北京:化学工业出版社.200617、李佳.数控机床及应用.北京:清华大学出版社.20016818、徐元昌.数控技术.北京:中国轻工业出版社.200419、林亨,严京滨.数控加工技术.北京:清华大学出版社.2005专题:专题:高速切削的刀具材料及切削技术的应用高速切削的刀具材料及切削技术的应用69 一、前言 高速切削的研究历史,可以追溯到二十世纪 30 年代由德国 Carl Salomon博士首次提出的有关高速切削的概念。Salomon 博士的研究突破了传统切削理论对切削热的认识,认为切削热只是在传统切削速度范围内是与切削速度成单调增函数关系。而当切削速度突破一定限度以后,切削温度不再随切削速度的增加而增加,反而会随切削速度的增加而降低,即与切削速度在较高速度的范围内成单调减函数。Salomon 博士的研究因第二次世界大战而中断。50 年代后期开始,高速切削的试验又开始进入各种试验研究,高速切削的机理开始被科学家们所认识。1979 年开始由德国政府研究技术部资助、德国 Darmstadt 大学 PTW 研究所牵头、由大学研究机构、机床制造商、刀具制造商、用户等多方面共同组成的研究团队对高速铣削展开了系统的研究。除了高速切削机理外,研究团队同步研究解决高速铣削中机床、刀具、工艺参数等多方面的应用解决方案,使高速铣削在加工机理尚未得到完全共识的情况下首先在铝合金加工和硬材料加工等领域得到应用,解决模具、汽车、航空等领域的加工需求,从而取得了巨大的经济效益。 根据 1992 年国际生产工程研究会(CIRP)年会主题报告的定义,高速切削通常指切削速度超过传统切削速度 510 倍的切削加工。因此,根据加工材料的不同和加工方式的不同,高速切削的切削速度范围也不同。高速切削包括高速铣削、高速车削、高速钻孔与高速车铣等,但绝大部分应用是高速铣削。目前,加工铝合金已达到 20007500m/min;铸铁为 9005000m/min;钢为6003000m/min;耐热镍基合金达 500m/min;钛合金达 1501000m/min;纤维增强塑料为 20009000m/min。二、高速切削的特点实践表明,高速切削具有以下加工特点:切削力降低;工件热变形减少;有利于保证零件的尺寸、形位精度;已加工表面质量高;工艺系统振动减小;70显著提高材料切除率;加工成本降低; 高速切削的上述特点,反映了在其适用领域内,能够满足效率、质量和成本越来越高的要求,同时,解决了三维曲面形状高效精密加工问题,并为硬材料和薄壁件加工提供了新的解决方案。三、高速切削加工刀具材料选用 铝合金 易切削铝合金 该材料在航空航天工业应用较多,适用的刀具有 K10、K20、PCD,切削速度在 20004000m/min,进给量在 312m/min,刀具前角为 1218,后角为 1018,刃倾角可达 25。 铸铝合金 铸铝合金根据其 Si 含量的不同,选用的刀具也不同,对 Si 含量小于 12%的铸铝合金可采用 K10、Si3N4 刀具,当 Si 含量大于 12%时,可采用 PKD(人造金刚石)、PCD(聚晶金刚石)及 CVD 金刚石涂层刀具。对于 Si 含量达 16%18%的过硅铝合金,最好采用 PCD 或 CVD 金刚石涂层刀具,其切削速度可在1100m/min,进给量为 0.125mm/r。 铸铁 对铸件,切削速度大于 350m/min 时,称为高速加工,切削速度对刀具的选用有较大影响。当切削速度低于 750m/min 时,可选用涂层硬质合金、金属陶瓷;切削速度在 5102000m/min 时,可选用 Si3N4 陶瓷刀具;切削速度在20004500m/min 时,可使用 CBN 刀具。铸件的金相组织对高速切削刀具的选用有一定影响,加工以珠光体为主的铸件在切削速度大于 500m/min 时,可使用 CBN 或 Si3N4,当以铁素体为主时,由于扩散磨损的原因,使刀具磨损严重,不宜使用 CBN,而应采用陶瓷刀具。如粘结相为金属 Co,晶粒尺寸平均为 3m,CBN 含量大于 90%95%的 BZN6000在 V=700m/min 时,宜加工高铁素体含量的灰铸铁。粘结相为陶瓷(AlNAlB2)、晶粒尺寸平均为 10m、CBN 含量为 90%95%的 Amborite 刀片,在加工高珠光体含量的灰铸铁时,在切削速度小于 1100m/min 时,随切削速度的增加,刀具寿命也增加。 普通钢 71 切削速度对钢的表面质量有较大的影响,根据德国 Darmstadt 大学 PTW 所的研究,其最佳切削速度为 500800m/min。 目前,涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN 刀具均可作为高速切削钢件的刀具材料。其中涂层硬质合金可用切削液。用 PVD 涂层方法生产的TiN 涂层刀具其耐磨性能比用 CVD 涂层法生产的涂层刀具要好,因为前者可很好地保持刃口形状,使加工零件获得较高的精度和表面质量。 金属陶瓷刀具占日本刀具市场的 30%,以 TiC-Ni-Mo 为基体的金属陶瓷化学稳定性好,但抗弯强度及导热性差,适于切削速度在 400800m/min 的小进给量、小切深的精加工;Carboly 公司用 TiCN 作为基体、结合剂中少钼多钨的金属陶瓷将强度和耐磨两者结合起来,Kyocera 公司用 TiN 来增加金属陶瓷的韧性,其加工钢或铸铁的切深可达 23mm。CBN 可用于铣削含有微量或不含铁素体组织的轴承钢或淬硬钢。 高硬度钢 高硬度钢(HRC4070)的高速切削刀具可用金属陶瓷、陶瓷、TiC 涂层硬质合金、PCBN 等。 金属陶瓷可用基本成分为 TiC 添加 TiN 的金属陶瓷,其硬度和断裂韧性与硬质合金大致相当,而导热系数不到硬质合金的 1/10,并具有优异的耐氧化性、抗粘结性和耐磨性。另外其高温下机械性能好,与钢的亲和力小,适合于中高速(在 200m/min 左右)的模具钢 SKD 加工。金属陶瓷尤其适合于切槽加工。 采用陶瓷刀具可切削硬度达 HRC63 的工件材料,如进行工件淬火后再切削,实现“以切代磨”。切削淬火硬度达 HRC4858 的 45 钢时,切削速度可取150180m/min,进给量在 0.30.4min/r,切深可取 24mm。粒度在1m,TiC 含量在 20%30%的 Al2O3-TiC 陶瓷刀具,在切削速度为 100m/min左右时,可用于加工具有较高抗剥落性能的高硬度钢。 当切削速度高于 1000m/min 时,PCBN 是最佳刀具材料,CBN 含量大于 90%的 PCBN 刀具适合加工淬硬工具钢(如 HRC55 的 H13 工具钢)。 高温镍基合金 Inconel 718 镍基合金是典型的难加工材料,具有较高的高温强度、动态剪切强度,热扩散系数较小,切削时易产生加工硬化,这将导致刀具切削区温度高、磨损速度加快。高速切削该合金时,主要使用陶瓷和 CBN 刀具。 碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷在 100300m/min 时可获得较长的刀具寿命,切削速度高于 500m/min 时,添加 TiC 氧化铝陶瓷刀具磨损较小,而在72100300m/min 时其缺口磨损较大。氮化硅陶瓷(Si3N4)也可用于 Inconel 718合金的加工。 加拿大学者 M.A.Elbestawi 认为,SiC 晶须增强陶瓷加工 Inconel 718 的最佳切削条件为:切削速度 700m/min,切深为 12mm,进给量为0.10.18mm/z。 氮氧化硅铝(Sialon)陶瓷韧性很高,适合于切削过固溶处理的 Inconel 718(HRC45)合金,Al2O3-SiC 晶须增强陶瓷适合于加工硬度低的镍基合金。 钛合金(Ti6Al6V2Sn) 钛合金强度、冲击韧性大,硬度稍低于 Inconel 718,但其加工硬化非常严重,故在切削加工时出现温度高、刀具磨损严重的现象。日本学者T.Kitagawa 等经过大量实验得出,用直径10mm 的硬质合金 K10 两刃螺旋铣刀(螺旋角为 30)高速铣削钛合金,可达到满意的刀具寿命,切削速度可高达 628m/min,每齿进给量可取 0.060.12mm/z,连续高速车削钛合金的切削速度不宜超过 200m/min。 复合材料 航天用的先进复合材料(如 Kevlar 和石墨类复合材料),以往用硬质合金和 PCD,硬质合金的切削速度受到限制,而在 900以上高温下 PCD 刀片与硬质合金或高速钢刀体焊接处熔化,用陶瓷刀具则可实现 300m/min 左右的高速切削。四、高速切削刀具技术 高速切削刀具不仅在耐用度和可靠性方面比常规加工有更高的要求,在刀具系统的安全性方面也有特殊的要求。73图 3 刀具伸出量对耐用度的影响从提高耐用度和可靠性角度,需要考虑:刀具基体与涂层材料刀尖几何结构刀刃数和刀杆伸出量切削用量走刀方式冷却条件刀具与工件材料匹配从提高使用安全性方面,需要考虑:刀具系统强度与尺寸刀杆与机床的夹持方式刀片夹紧方式刀具动平衡74图 4 球头铁刀不同铣削方式对耐用度的影响 由于高速切削高转速和快进给等特点,除了良好的耐磨性和高的强度韧性的先进刀具材料,优良的刀具涂层技术,合理的几何结构参数和高同心度的刀刃精度质量等因素外,还需特别注意其它因素对刀具耐用度的影响。图 3 为不同刀具伸出量对切削路径长度的影响,可见伸出量越短,耐用度越高。一般情况下,顺铣的耐用度高于逆铣,而往复铣的耐用度最低(见图 4)。图 4 中向下进实际反映刀具顶着进给方向进刀,而向上进反映刀具拖着进给方向进刀,对耐用度也有较大影响。铝合金高速铣削通常用双刃铣刀,过多的刀刃会减少容屑空间,容易引起切屑粘刀。为避开共振频率,也可采用三刃铣刀以增加冲击频率。铝合金加工容易产生积屑瘤,这对高速铣削非常有害。要减少积屑瘤的产生,刀具表面要平滑;避免采用物理气相沉积(PVD)涂层刀具,因为 TiAlN涂层很易与铝产生化学反应,可以选用非涂层刀具,细晶金刚石涂层或类金刚石涂层刀具;如有可能,尽量采用油雾刀具内冷进行冷却润滑。 高速铣削刀具结构对刀具耐用度和安全性均有很大影响,关键要点包括刀具系统的平衡设计;减少径向和轴向跳动;控制动平衡精度;与机床联接普遍75采用 HSK 刀柄或类似双面接触短锥刀柄;刀具的夹紧最新趋势是采用冷缩式夹紧结构(或称热装式),装夹时利用感应或热风加热使刀杆孔膨胀,取出旧刀具,装入新刀具,然后采用风冷使刀具冷却到室温,利用刀杆孔与刀具外径的过盈配合夹紧,这种结构刀具的径向跳动在 4m,刚性高,动平衡性好,夹紧力大,高转速下仍能保持高的夹紧可靠性,特别适用于更高转速的高速铣削加工。五、高速切削工艺技术 高速切削工艺主要包括:适合高速切削的加工走刀方式,专门的 CAD/CAM编程策略,优化的高速加工参数,充分冷却润滑并具有环保特性的冷却方式等等。 高速切削的加工方式原则上多采用分层环切加工。直接垂直向下进刀极易出现崩刃现象,不宜采用。斜线轨迹进刀方式的铣削力是逐渐加大的,因此对刀具和主轴的冲击比垂直下刀小,可明显减少下刀崩刃的现象。螺旋式轨迹进刀方式采用螺旋向下切入,最适合型腔高速加工的需要。 CAD/CAM 编程原则是尽可能保持恒定的刀具载荷,把进结速率变化降到最低,使程序处理速度最大化。主要方法有:尽可能减少程序块,提高程序处理速度;在程序段中可加人一些圆弧过渡段,尽可能减少速度的急剧变化;粗加工不是简单的去除材料,要注意保证本工序和后续工序加工余量均匀,尽可能减少铣削负荷的变化;多采用分层顺铣方式;切入和切出尽量采用连续的螺旋和圆弧轨迹进行切向进刀,以保证恒定的切削条件;充分利用数控系统提供的仿真验证的功能。零件在加工前必须经过仿真,验证刀位数据的正确性,刀具各部位是否与零件发生干涉,刀具与夹具附件是否发生碰撞,确保产品质量和操作安全。 高速铣削加工用量的确定主要考虑加工效率、加工表面质量、刀具磨损以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料时,加工用量会有很大差异,目前尚无完整的加工数据。通常,随着切削速度的提高,加工效率提高,刀具磨损加76剧,除较高的每齿进给量外,加工表面粗糙度随切削速度提高而降低。对于刀具寿命,每齿进给量和轴向切深均存在最佳值,而且最佳值的范围相对较窄。高速铣削参数一般的选择原则是高的切削速度、中等的每齿进给量 fz、较小的轴向切深 ap 和适当大的径向切深 ae。 在高速铣削时由于金属去除率和切削热的增加,冷削介质必须具备将切屑快速冲离工件、降低切削热和增加切削界面润滑的能力。常规的冷却液及加注方式很难进入加工区域,反而会加大铣刀刃在切入切出过程的温度变化,产生热疲劳,降低刀具寿命和可靠性。现代刀具材料,如硬质合金、涂层刀具、陶瓷和金属陶瓷、CBN 等具有较高的红硬性,如果不能解决热疲劳问题,可不使用冷却液。 微量油雾冷却一方面可以减小刀具切屑工件之间的摩擦,另一方面细小的油雾粒子在接触到刀具表面时快速气化的换热效果较冷却液热传导的换热效果方式能带走更多的热量,目前已成为高速切削首选的冷却介质。 氮气油雾冷却介质在钛合金的高速铣削中取得了很好的效果。氮气油雾冷却介质除具有空气油雾的冷却润滑作用外,还具有抗氧化磨损等作用,在33m/min 的铣削速度时,相比较空气油雾冷却,刀具耐用度提高 60%,铣削力可降低 20%30%。六、结语 高速切削是一项先进的、正在发展的综合技术,必须将高性能的高速切削机床、与工件材料相适应的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺技术相结合,充分发挥高速切削技术的优势。高速切削工具技术也是一项关键技术,为了适应和推动我国高速切削技术的发展,我们应该充分认识到,工具制造是一个高技术含量的行业,应加强该领域的基础研究、工程研究和应用研究;迅速发展的高速切削技术极大的刺激高性能刀具的需求,我国工具行业应重点在刀具的耐磨性、精度和可靠性方面加强研发力度,提高刀具的竞争能力;刀具的竞争力应集中在高性能带来的整体经济效益,在应用领域推广使用高性能刀具;提供个性化技术服务;根据我国目前的实际情况,建议重点发展涂层技术(如77耐磨(硬、软)涂层、复合涂层、纳米结构涂层等),刀具质量保障技术和刀具数据库。附录附录: :外文文献78Numerical ControlOne of the most fundamental concepts in the area of advanced manufacturing technologies is numerical control.Controlling a machine tool using a punched tape or stored program is known as numerical control (NC). NC has been defined by the Electronic Industries Association (EIA) as “ a system in which actions are controlled by the direct insertion of numerical dada at some point .the system must automatically interpret at least some portion of this data.” the numerical data required to produce a part is known as a part program.A numerical control machine tool system contains a machine control unit (MCU) and the machine tool itself. The MCU is further divided into two elements: the data processing unit (DPU) and the control loops unit (CLU). The DPU processes the coded data from the tape or other media and passes information on the potions of each axis, required direction of motion, feed rate, and auxiliary function control signals to the CLU. The CLU operates the drive mechanisms of the machine, receives feed back signals concerning the actual position and velocity of each of the axes, and signals the completion of operation. The DPU sequentially reads the data. When each line has completed execution as noted by the CLU, anther line of data is read.A data processing units consists of some or all of the following parts:1) Data input device such as a paper tape reader, magnetic tape reader, RS232-C port, etc2) Data-reading circuits and parity-checking logic3) Decoding circuits for distributing data among the controlled axes4) An interpolator, which supplies machine-motion commands between data points for tool motionA control loops unit, on the other hand consists of the following:1) Position control loops for all the axes of motion, where each axis has a separate control loop2) Velocity control loops, where feed control is required 3) Deceleration and backlash take up circuits4)Auxiliary functions control, such as coolant on/off, gear change, spindle 79on/off controlGeometric and kinematic data are typically fed from the DPU to the CLU.The CLU then governs the physical system based on the data from the DPU.Numerical control was developed to overcome the limitation of human operators, and it has done so. Numerical control machines are more accurate than manually operated machines, they can produce parts more uniformly, they are faster, and the long-run tooling costs are lower. The development of NC led to the development of several other innovations in manufacturing technology: Electric discharge machining Laser-cutting Electron beam weldingNumerical control has also made machine tools more versatile than their manually operated predecessors. An NC machine tool can automatically produce a wide variety of parts, each involving an assortment of widely varied and complex machining processes. Numerical control has allowed manufacturers to undertake the production of products that would not have been feasible from an economic perspective using manually controlled machine tools and processes. Historical Development of NCLike so many advanced technologies, NC was born in the laboratories of the Massachusetts Institute of Technology. The concept of NC was developed in the early 1950s with funding provided by the U.S. Air Force. In its earliest stages, NC machines were able to make straight cuts efficiently and effectively.However, curved paths were a problem because the machine tool had to be programmed to undertake a series of horizontal and vertical steps to produce a curve. The shorter the straight lines making up the steps, the smoother is the curve. Each line segment in the steps shown in the close up in Fig.2.17 had to be calculated. This was a cumbersome approach that had to be overcome if NC was to develop further.This problem led to the development in 1959 of the Automatically Programmed Tools (APT) language. This is a special programming language for NC that uses statements similar to English language to define the part geometry, describe the cutting tool configuration, and specify the necessary motions. The development of the APT language was a major step forward in the development of NC technology. 80The original NC systems were vastly different from those used today. The machines had hardwired logic circuits. The instructional programs were written on punched paper, which was later to be replaced by magnetic plastic tape. A tape reader was used to interpret the instructions written on the tape for the machine. Together, all of this represented a giant step forward in the control of machine tools. However, there were a number of problems with NC at this point in its development.A major problem was the fragility of the punched paper tape medium. It was common for the paper containing the programmed instructions to break or tear during a machining process. This problem was exacerbated by the fact that each successive time a part was produced on a machine tool, the paper tape carrying the programmed instructions had to be rerun through the reader. If it was necessary to produce 100 copies of a given part, it was also necessary to run the paper tape through the reader 100 separate times. Fragile paper tapes simply could not withstand the rigors of a shot floor environment and this kind of repeated use.This led to the development of a special magnetic plastic tape. Whereas the paper tape carried the programmed instructions as a series of holes punched in the tape, the plastic tape carried the instructions as a series of magnetic dots. The plastic tape was much stronger than the paper tape, which solved the problem of frequent tearing and breakage. However, it still left two other problems.The most important of those was that it was difficult or impossible to change the instructions entered on the tape. To make even the most minor adjustments in a program of instructions, it was necessary to interrupt machining operations and make a new tape. It was also still necessary to run the tape through the reader as many times as there were parts to be produced. Fortunately, computer technology became a reality and soon solved the problem of NC associated with punched paper and plastic tape.1) Advent of Direct Numerical ControlThe development of a concept known as direct numerical control (DNC) solved the paper and plastic tape problems associated with numerical control by simply eliminating tape as the medium for carrying the programmed instructions. In direct numerical control, machine tools are tied, via a data transmission link, to a host computer (Fig 2.18). Programs for operating the machine tools are stored in the host 81computer and fed to the machine tool as needed via the data transmission linkage. Direct numerical control represented a major step forward over punched tape and plastic tape. However, it is subject to the same limitations as all technologies that depend on a host computer, the machine tools also experience downtime. This problem led to the development of computer numerical control.2) Advent of Computer Numerical ControlThe development of the microprocessor allowed for the development of programmable logic controllers (PLCs) and microcomputer. These two technologies allowed for the development of computer numerical control (CNC). With CNC, each machine tool has a PLC or a microcomputer that serves the purpose. This allows programs to be input and stored at each individual machine tool. It also allows programs to be developed off-line and downloaded at the individual machine tool. CNC solved the problems associated with downtime of the host computer, but it introduced another problem known as data management. This is a problem all work settings dependent on microcomputers have. The same program might be loaded on ten different microcomputers with no communication among them. This problem is the process of being solved by local area networks that connect microcomputers for better data management. The problem of data management led to the development of distributed numerical control.3) Advent of Distributed Numerical ControlDistributed numerical control (also called DNC) takes advantage of the best aspects of direct numerical control and computer numerical control. With distributed numerical control there are both host computers and local computers at the individual machine tools (Fig 2.19). This allows the programs to be stored in the host computers and, thereby, better managed. However, it also allows them to be downloaded to local microcomputers or PLCs. It also allows for local input and interaction through microcomputers or PLCs at the machine levels.NC Machine ComponentsThere are four components in any NC machine:The actual NC tool82The machine control unit (MCU)The communication interface between the NC machine and the MCUA variety of accessories for performing specific jobs on the NC machineThe actual NC machine may be a milling machine, lathe, drill, or any other type of machine tool. The MCU is the control unit that holds the programs that instruct the NC machine. The MCU also has various devices available for operator input. Information contained in the MCU is carried to the activators on the NC machine through the communication interface. These activators receive the electronic signals from the MCU and cause the mechanical apparatus of the NC machine to operate.Less sophisticated NC machines have open-loop activators. An open-loop activator can receive a signal and carry out the instructions contained in that signal, but cannot feed back to the MCU to show that instructions carried in the signal have been properly completed. More sophisticated NC machine use closed-loop activators. A closed-loop activator can receive and carry out a signal and feed data back to the MCU showing that the signal has been carried out and to what extent. The more sophisticated closed-loop systems are been used more and more because they allow closer monitoring and immediate corrective action when problems with executing a program arise. The accessories are special tools required to carry out a specific job.NC ProgrammingThese are four ways to program an NC machine: manual programming, digitizing, written programs, and graphic programs (Fig 2.20). Manual programming is the most cumbersome of the four. It involves calculating numerical values that identify tool location and specify tool direction. Once these values have been calculated, recorded and feed into the MCU. Digitizing is a process frequently used in computer-aided design and drafting, whereby a drawing of a part is traced electronically. As it is traced, the various points on the drawing are converted into X-Y coordinates and stored in the computer. Once the drawing has been completely traced, the stored X-Y coordinates define the part and can be fed to an NC machine to provide instructions on tool positioning and movement.Written programs are similar to those developed for use with any computer. With such programs, English language-type statements are written to describe tool positions and movement, as well as speed and feed rates. Such programs are fed into 83the MCU, where they are translated into machine language and forwarded to the NC machines activators.The most modern, sophisticated method of programming an NC machine is by using a three-dimensional model of the part to provide the data that guide the NC machine in producing the part. As NC technology continues to develop, this programming method will eventually be used more than any other.Classifications of NC MachinesNumerical control machines are classified in different ways. An early method was to categorize them as being either point-to-point or continues-path machines. Point-to-point machines, as the name implies, move in a series of steps from one point to the next (Fig 2.21). Point-to-point machines are less sophisticated and less precise than continuous-path machines. Continuous-path machines move uniformly and evenly along the cutting path rather than through a series of horizontal and vertical steps. Such machines are more sophisticated and require move memory in the MCU than point-to-point machines. Fig 2.22 illustrates the type of cutting paths performed by continuous-path machine.Anther way to classify NC machines is as positioning or contouring machines. Point-to-point machines are considered positioning machines. Continuous-path machines are considered contouring machines. Positioning machines have as few as two axes: the X axis and the Y axis. Contouring machines must have at least three axes: the X, Y and Z axes. Fig 2.23 illustrates the movements governed by the X, Y and Z axes. Note that X represents the longitudinal axes, Y the transverse axis, and Z the up-and-down or vertical axis. Fig 2.24 is a simply line diagram of a typical three-axis machine tool showing how movement is accomplished. On some machines, movement is accomplished by positioning the spindle, and thus the tool, longitudinally along the X axis, transversely long the Y axis, and vertically along the Z axis. The work-piece is affixed to the table. With other machines, both the spindle and table (thus the work-piece) can be moved.Positioning machines work well for drilling applications. Milling operations are more likely to be contouring machines to allow for three-dimensional control.Some of the more sophisticated positioning machines are able to accomplish angular cuts known as slopes. These are cuts that move across the quadrants formed 84by the intersection of the X and Y axes at angles other than 90 degree to either the X or Y axis (Fig 2.25). Slopes are generally imprecise and inaccurate. However, there are instances in which the ability to make angular cutting paths is important. In these cases, slopes can be an important feature, particularly where the cut surfaces do not have to mate with anther surface. When precise, accurate angular cutting paths must be made, a contouring machine is needed.Pros and Cons in Justifying NCJustifying a conversion from manual to NC machines and processes can be difficult. From a strictly business perspective, such a conversion entails a great deal of risk, primarily centering around the fact that manually operated machines use fewer consumable tools per hour of operation, but they also require more hours to produce the same amount of work. Therefore, in the long run, the overall tool consumption costs for NC are actually the same as for manual machines for a given run length.MDI ControlOne of the limitations of traditional NC is an inability to program a machine on the shop floor. This problem is solved to a great extent by manual data input (MDI) control. With MDI control, an operator can enter data via a computer at the machine on the shop floor. This allows the operator to do a limited amount of programming at the machine site. The hardware for MDI control is small and not obtrusive. Manual data input is easy to use and does not require the skills of a professional part programmer. The operator enters the programming data via keyboard and monitors his entries by watching a CRT terminal. Manual data input control is so simple that it amounts to little more than an operator viewing a terminal display and filling the blanks as necessary.Manual data input control can be used with a wide range of machines from low level machines to highly sophisticated machining centers. However, the most common uses are the less sophisticated three-axis milling machines and two-axis lathes.Computer-Assisted NC Programming85The computer is being widely used in NC programming setting. Computers offer operators several advantages over manually preparing programmed instructions for NC machines. It takes less time to prepare a part program using a computer than to prepare the same program manually. Because the computer performs any necessary calculations rather than the calculations being performed manually, there are fewer errors in the final program. And, because less time is required in using a computer and fewer errors appear in the final program, the overall programming costs are usually lower with computer-assisted NC programming.When using a computer to write an NC program, the operator describes the operations to be performed by the machine tool using English language-like commands. These commands are transformed into a language the NC machine can understand by a post-processor, a special computer program that converts general instructions to machine-specific instructions. The most widely used language for computer-assisted NC programming is the APT language.The computer offers the NC part programmer the same advantages and benefits it offers other technical workers. By performing complicated mathematical calculations, it reduces the time involved in preparing a program and decreases the number of errors made in producing a program. When errors are made, they are easier to correct. It simplifies the input of programs to be stored , retrieved, and used continually without having to rerun a tape each time a machine operation is to be performed.Benefits and Gains from NCNumerical control has been in use for almost 40 years. Since its inception, it has been improved continually. Each improvement has added a new benefit or improved an existing benefit of NC as compared with traditional manual machine operation. During this period, a body of knowledge has developed from the actual benefits that can be derived from the NC. There is a general consensus among manufacturing professionals that the principal benefits derived from NC are the following:Better planningGreater-flexibilityEasier scheduling86Less setup, lead, and processing timeBetter machine utilizationLower overall tooling costsGreater uniformity in cuttingGreater accuracy in cuttingA higher degree of interchangeability of parts and toolsMore accurate cost estimates Permanent memory of how a pert was madeThese are the same types of benefits generally associated with any manufacturing process that has successfully moved from a manual format to a fully or partially automated format. The extent of the benefit depends on how successfully the transition has been carried out and how well developed the associated technologies have become. With the advent of DNC, and CNC in numerical control, all of the benefits listed above have evolved into bona fide, document-able benefits.Overview of Direct Numerical ControlDirect numerical control is an advanced form of numerical control. Traditional NC involved imprinting programmed instructions on punched tape or magnetic plastic tape and feeding the tape through a reader that then interprets the instructions and transmits them to the NC machine. With direct numerical control, the tape media are eliminated. Instead, NC machines are connected to a host computer via a data transmission interface (Fig2.26). Programs are stored in the host computer and downloaded to the individual NC machines via the data transmission interface as needed.In addition to eliminating the cumbersome tape medium for carrying programmed instructions, direct numerical control allows NC machines at remote locations to be connected to the host computer. It also allows programmers to develop programs at any location and enter them into the host computer. This means that programmers are no longer physically tied to the NC machine and NC machines are not tied down with the traditional tape media.Historical Development of Direct Numerical Control87Direct numerical control originated in the mid 1960s. Its original purpose was to reduce the amount of hardware required to provide NC. One host computer could serve as the controller instead of having a controller for each individual NC machine. The requirement of having one controller per NC machine was an expensive requirement in the mid 1960s because microelectronic technology had not yet developed to the point where it could be as inexpensive as it is today. As microelectronic technology and computer technology continued to evolve over the years, becoming more sophisticated but less expensive, the original rational for direct numerical control has become less critical.Direct numerical control never worked completely as it was originally envisioned. Elimination of tape as the input medium and of controllers at each individual NC machine were never fully realized because of breakdowns in the data transmission interface and downtime of the host computer. When the host computer is down, it is necessary to have individual controllers at each NC machine and tape to input the instructions on a backup basis. It was only after the advent of computer numerical control (CNC) that the true value of direct numerical control began to be realized.1Direct Computer and Distributed Numerical ControlDistributed numerical control is a concept that combines the best of direct and computer numerical control. The advent of CNC allowed the placement of a microcomputer controller at each individual NC machine. This computer could be used to develop programs, store programs, and input programs to the NC machines. This capability, coupled with the host computer capability of direct numerical control, paved the way for the distributed numerical control concept. In distributed numerical control, there is a host computer as in direct numerical control, as well as microcomputer controllers for individual NC machines (Fig2.27).The host computer in such a system is still used as the main storage point for programs. These programs are downloaded from the host computer to the microcomputers, where they can be stored or transmitted to the NC machines. In this way, the need for the medium and reader is eliminated. The microcomputer controllers can also serve as backup memory when the host computer is down. This concept of distributed control, which combines direct and computer numerical 88control, is becoming widely accepted that the acronym “DNC” is being used more and more to mean distributed numerical control instead of direct numerical control.2Data Transmission in DNCDependable data transmission is the key to successful DNC. A poor data transmission network can cause NC machines to be idle while waiting for instructions to be transmitted from the host computer. This can also result in operators waiting for NC machines to respond to the instructions from the host computer. Therefore, it is critical to have an effective data transmission network from the host computer to the intermediate microcomputer controllers and to the NC machines. One key to having effective data transmission network is to ensure that the data transmission interface is compatible, not just with the host computer, but with each individual microcomputer controller and the NC machines.This means the host computer must be able to feed the intermediate microcomputer controller only as much of a program as they are able to hold in storage. The DNC system must also be able to download only those portions of a program that a given NC machine is capable of accepting and carrying out. The system, should be able to accommodate revisions to programs in order to optimize the program of a given part without replacing the original program with the optimized program.3Advantage of DNCOne key advantage of DNC is the ability to produce and print reports that provide valuable information to system managers. This information can be studied and used to improve the performance of an overall DNC system. The types of reports that can be produced from a DNC system include the following:Production schedule reportsRunning times of various reportsInventory of tools required to produce a given part Operator instructionsProgram listing contained on a given disk Reports showing when a program was used last and how often a program is used89Machine utilization reportsReports showing downtime for machineThe ability to produce management reports such as these, coupled with the other advantages of eliminating the tape medium, is making DNC the norm in NC settings.4Best Applications of DNCIn spite of these advantages, DNC is not always the most appropriate NC methodology. Its best applications are in settings that require the types of management reports that a DNC system can produce and in flexible manufacturing settings. Applications that require large amount of control information are also appropriate for DNC. These are applications that use many part programs, thus much program management is necessary.DNC is also ideally suited for control of flexible manufacturing system. In flexible manufacturing system, a central host computer is needed to direct the flow of parts through the system and to download NC programs to microcomputer controllers of individual NC machines. As the technology continues to develop, DNC network will expand to include not just machine tools, but also computer-aided design and drafting systems and other computer-based systems tied to production.90附录:中文翻译数字控制数字控制先进制造技术领域中的最基本的观念之一是数字控制。使用一卷被打孔的纸带或使用储存的程序来控制机床设备被称为数字控制(NC)。 数字控制被电子工业协会 (EIA) 定义为 “ 一个系统在某点的动作被直接插入的数值所控制 , 该系统一定能至少自动地理解这些数据的一部分” 这些生产一个零件所必需的数据资料被称为一组零件程序。一个数控机床系统包含一机床控制单元 (MC
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