2056 CA6140車床數控化改造

2056 CA6140車床數控化改造,ca6140,車床,數控,改造 ICA6140車床數控化改造摘 要針對現有常規(guī) CA6140 普遍車床的缺點提出數控改裝方案和單片機系統(tǒng)設計，擴大機床使用范圍，并提高生產率。本論文說明了普通車床的數控化改造的設計過程，較詳盡地介紹了 CA6140 機械改造部分的設計及數控系統(tǒng)部分的設計。采用以單片機為 CPU 的控制系統(tǒng)對信號進行處理，由 I/O 接口輸出步進脈沖，經一級齒輪傳動減速后，帶動滾動絲杠轉動，從而實現縱向、橫向的進給運動。關鍵詞: 數控機床 單片機數控系統(tǒng) 改裝設計AbstractTo remedy the defects of ordinary lather CA6140, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machine’s usage, and to improve production rate. This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms. We adopt control system which has single chip as CPU to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface. After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll. Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement.Keyword: Numerical control machine tool ；Single chip microcomputer；system Reform designI目錄摘 要 ...............................................................IABSTRACT...........................................................II第一章 緒論 .........................................................11.1 數控系統(tǒng)發(fā)展及趨勢 ............................................11.1.1 國內外數控系統(tǒng)發(fā)展概況 ....................................11.1.2 數控技術發(fā)展趨勢 ..........................................11.1.3 智能化新一代 PCNC 數控系統(tǒng) .................................11.2 普通機床數控改造的目的與意義 ..................................21.2.1 微觀看改造的目的與意義 ....................................21.2.2 宏觀看改造的目的與意義 ....................................21.3 數控改造的研究內容及優(yōu)缺點 ....................................31.3.1 國外改造業(yè)的興起 ..........................................31.3.2 數控化改造的內容 ..........................................31.3.3 機床數控化改造的優(yōu)缺點 ....................................3第二章 普通車床數改的總體方案 .......................................42.1 總體方案 ......................................................42.1.1 主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的改造 ................................42.1.2 主軸脈沖發(fā)生器 ............................................52.1.3 主軸脈沖發(fā)生器的結構及原理 ................................5第三章 車床進給系統(tǒng)的數控化改造 .....................................73.1 滾珠絲杠螺母副 ................................................73.1.1 滾珠絲杠副的工作原理、特點及類型 ..........................73.1.2 滾珠絲杠副的結構 ..........................................83.1.3 螺紋滾道型面的形狀及其主要尺寸 ............................83.1.4 絲杠副的循環(huán)方式 ..........................................93.2 縱向進給系統(tǒng)的設計與計算 .....................................103.2.1 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 ...................................103.2.2 滾珠絲杠設計計算 .........................................123.2.3 齒輪及轉距的有關計算 .....................................153.3 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算 .....................................183.3.1 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 ...................................18II3.3.2 滾珠絲杠設計計算 .........................................193.3.2 齒輪及轉矩有關計算 .......................................213.4 滾珠絲杠副軸向間隙的調整和預緊方法 ...........................223.5 滾珠絲杠副的安裝結構 .........................................243.5.1 支承結構 .................................................243.6 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 ...................................253.6.1 采用減速箱的目的及注意事項 ...............................253.6.2 減少或消除空程的必要性和方法 .............................254.1 自動刀架的分類 ...............................................264.2 自動刀架的設計 ...............................................26第五章 數改 CA6140 步進電機的設計 ...................................285.1 步進電機的工作方式 ...........................................285.2 步進電機的選擇 ...............................................285.2.1 步進電機選用的基本原則 ...................................285.2.2 數改 CA6140 縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定 ....................295.2.3 數改 CA6140 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 ....................30第六章 數控系統(tǒng)硬件電路設計 ........................................316.1 數控系統(tǒng)基本硬件組成 .........................................316.2 單片機控制系統(tǒng)的設計 .........................................316.2.1 硬件配置 .................................................316.2.2I/O 口地址分配 ............................................316.2.3 步進電機與微型機的接口電路 ...............................326.2.4 方向控制 .................................................32結 論 ..............................................................34參考文獻 ...........................................................35致 謝 ...........................................................36附錄 ...............................................................371第一章 緒論1.1 數控系統(tǒng)發(fā)展及趨勢1.1.1 國內外數控系統(tǒng)發(fā)展概況隨著計算機技術的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達國家投入巨資，對現代制造技術進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現代制造系統(tǒng)中，數控技術是關鍵技術，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。長期以來，我國的數控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結構，CNC 只能作為非智能的機床運動控制器。加工過程變量根據經驗以固定參數形式事先設定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過 CAD/CAM 及自動編程系統(tǒng)進行編制。1.1.2 數控技術發(fā)展趨勢1. 性能發(fā)展方向(1) 高速高精高效化 (2) 柔性化(3) 工藝復合性和多軸化(4) 實時智能化2. 功能發(fā)展方向(1) 用戶界面圖形化(2) 科學計算可視化(3) 插補和補償方式多樣化(4) 內裝高性能 PLC(5) 多媒體技術應用3. 體系結構的發(fā)展(1) 集成化(2) 模塊化(3) 網絡化(4) 通用型開放式閉環(huán)控制模式1.1.3 智能化新一代 PCNC 數控系統(tǒng)當前開發(fā)研究適應于復雜制造過程的、具有閉環(huán)控制體系結構的、智能化新一代 PCNC 數控系統(tǒng)已成為可能。智能化新一代 PCNC 數控系統(tǒng)將計算機智能技術、網絡技術、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動態(tài)數據管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新技術融于一體，形成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系。21.2 普通機床數控改造的目的與意義1.2.1 微觀看改造的目的與意義從微觀上看，數控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。(1) 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。(2) 可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高 3～7 倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現自動化。數控機床只要更換一個程序，就可實現另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現了"柔性自動化 "。(3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配" 。(4 ) 可實現多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。(5) 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自律功能，因而可實現長時間無人看管加工。由以上五條派生的優(yōu)點：(1)降低了工人的勞動強度；(2)節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床） ；(3)減少了工裝；縮短了新產品試制周期和生產周期；(4)可對市場需求作出快速反應等等。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數控化還是推行 FMC（柔性制造單元） 、FMS （柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。1.2.2 宏觀看改造的目的與意義由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化） ，最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家約落后 20 年。如我國機床擁有量中，數控機床的比重（數控化率）到 1995 年只有 1.9％，而日本在 1994 年已達 20.8％，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數控化改造的必要性。31.3 數控改造的研究內容及優(yōu)缺點1.3.1 國外改造業(yè)的興起在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術的不斷進步，機床改造是個"永恒" 的課題。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（ Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 機床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務集團、US 設備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。1.3.2 數控化改造的內容機床與生產線的數控化改造主要內容有以下幾點：（1）恢復原功能，對機床、生產線存在的故障部分進行診斷并恢復；（2）NC 化，在普通機床上加數顯裝置，或加數控系統(tǒng)，改造成 NC 機床、CNC 機床；（3）翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度；對其不滿足生產要求的 CNC 系統(tǒng)以最新 CNC 進行更新；（4）技術更新或技術創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術,在原有基礎上進行較大規(guī)模的技術更新或技術創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。1.3.3 機床數控化改造的優(yōu)缺點1. 減少投資額、交貨期短2. 機械性能穩(wěn)定可靠，結構受限3. 熟悉了解設備、便于操作維修4. 可充分利用現有的條件5. 可以采用最新的控制技術4第二章 普通車床數改的總體方案2.1 總體方案由于是經濟型數控改造，所以在考慮具體方案時，基本原則是滿足使用要求的前提下，對機床的改動盡可能少，以降低成本。根據 CA6140 車床有關資料以及數控車床的改造經驗，確定總體方案為：采用微機對數據進行計算處理，由 I/O 接口輸出步進脈沖，經一級齒輪減速后，帶動滾珠絲杠轉動，從而實現縱向、橫向進給運動。如圖 2—1 所示。2.1.1 主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的改造CA6140 型普通車床的主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)都由主軸電機控制，而改造后的車床則把主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的運動分離開。分別由各自的電機來控制，但是為保證車床在車螺紋時主傳動運動與進給運動之間的聯系，所以在拆掉進給系統(tǒng)的同時，必須在主軸上安裝一個脈沖發(fā)生器，來實現主軸傳動和進給運動之間的聯系。同時，為了提高機床的精度和效率，用滾珠絲杠來代替原機床的光杠，并且采用單獨的步進電機來控制。這樣不僅提高了機床的性能和精度，還提高了機床的使用性能。1. 機械部分的改造首先拆去進給箱、溜板箱；還要對車床的床鞍進行部分的改造，拆去縱向小拖板、 橫向拖板的絲杠換成滾珠絲杠，并且由一端驅動的步進電機來控制。2. 刀架的改造CA6140 普通車床的刀架不能滿足數改后的車床的性能和精度的要求。所以，必須要換成數控自動刀架。圖 2-1 數改 CA6140 車床總體方案示意圖5齒 輪圖 2- 車 螺 紋 及 控 制 電 路806PID光電隔離電路 主 軸 脈 沖發(fā) 生 器 主 軸2.1.2 主軸脈沖發(fā)生器由于 CA6140 普通車床的主傳動系統(tǒng)的精度及其靈活性基本滿足數改后車床精度的要求。改造后的車床既需要考慮一定的技術要求，以實現造價低廉。經濟方便的要求。所以在改造時，仍然保留原有的主傳動系統(tǒng)，只是為了在車螺紋時保證主運動與進給運動的聯系，在原床頭 X 軸輸出端上安裝一個脈沖發(fā)生器，發(fā)生脈沖以使步進電機準確地配合主軸的旋轉而產生進給運動，從而完成車削螺紋的動作，其車螺紋的控制電路如圖 2—2 所示：CA6140 普通車床在加工螺紋時，為了得到符合加工要求的螺距，就必須保證主軸和進給之間的聯系。但是，在數改后的車床上，由于主軸的運動與進給運動之間沒有機構上的直接聯系，為了變成這些功能，就設置了主軸脈沖發(fā)生器，發(fā)出脈沖以使步進電機準確地配合主軸的旋轉而產生進給運動，這樣既可以解決了主軸轉一轉，車刀進給一個螺距的動作的問題，進而在單片機系統(tǒng)的控制下，保證這種聯系的順利完成。2.1.3 主軸脈沖發(fā)生器的結構及原理圖 2—3（a）所示是脈沖發(fā)生器的結構原理圖：圖 2—3 主軸脈沖發(fā)生器示意圖6脈沖發(fā)生器的組成部分包括白熾燈、聚光鏡、光柵盤、光闌板、光敏管及其光電整形放大電路組成。光柵盤和光闌板都是玻璃材料制成，玻璃表面經過研磨拋光后用鍍膜法鍍上一層不透光的鉻層，透光條及用照相腐蝕法制成。在光柵盤上刻有明暗條紋，有單條和 1024 個條兩組。當平行光束經過光柵盤時，在光柵盤的另一面就產生明暗光帶，這光帶通過一個光闌狹縫，照在對應的光敏管上，從而產生光電脈沖信號，經斯密特電路整形后輸出。單條紋的一組產生同步脈沖，每轉發(fā)一個脈沖；1024 條紋的一組通過光欄上兩個相位差 π/4 間距的狹縫，產生兩組每轉 1024 個脈沖組相差為 π/4 的脈沖序列，供給微機處理，借以判斷主軸正、反轉，且可以從 1024 個脈沖中均勻地取出 F 個脈沖，作為中斷信號控制插補速度，實現 F 進給控制的目的。7第三章 床進給系統(tǒng)的數控化改造數控機床的傳動裝置是指將電動機的旋轉運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動的整個機械傳動鏈及其附屬機構。包括齒輪減速器、絲杠螺母副、導軌、工作臺等。為確保數控機床進給系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設計機械傳動裝置時，通常提出了無間隙、低磨擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率能及有適宜的阻尼比的要求。為了達到這些要求，采取主要措施如下：（1）盡量采用低摩擦的傳動，如采用靜壓導軌、滾動導軌和滾動絲杠等，以減少摩擦力。（2）選用最佳的降速比，以達到提高機床分辨率，使工作臺盡可能大地加速，以達到跟蹤指令，系統(tǒng)折算到驅動軸上的轉動慣量盡量小的要求。（3）縮短傳動鏈以及預緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度。如采用大扭矩寬調速的直流電機與絲杠直接聯接，應用預加負載的滾動導軌和滾動絲杠副，絲杠支承設計成兩端軸向固定的，并可用預拉伸的結構等辦法來提高傳動系統(tǒng)的剛度。（4）盡量消除傳動間隙，減少反向死區(qū)誤差。如采用消除間隙的聯軸器（如用加錐銷固定的聯軸套，用鍵加頂絲緊固的聯軸套以及用無扭轉間隙的撓性聯軸器等） ，采用有消除間隙措施的傳動副等。3.1 滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動元件，它以滾珠的滾動代替絲桿螺母副中的滑動，摩擦力小，具有良好的性能。滾珠絲杠副的結構原理示意圖如圖 3—1 所示，在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當它們套裝在一起時便形成螺旋滾道，并在滾道內裝滿滾珠。而滾珠則沿滾道滾動，并經回珠管作周而復始的循環(huán)運動?；刂楣軆啥诉€起擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉出。它可將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，或者將直線運動轉變?yōu)樾D運動。因此，滾珠絲杠副既是傳動元件，也是直線運動與旋轉運動相互轉換的元件。圖 3—1 滾珠絲杠結構原理圖3.1.1 滾珠絲杠副的工作原理、特點及類型弧形的螺旋槽，當它們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有8滾珠回路管道 b，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構成封閉的循環(huán)滾道，滾道內裝滿滾珠。當絲杠在滾道內既自轉又沿滾道循環(huán)轉動。因而迫使螺母（或絲杠）軸向移動。滾珠絲杠副的特點是：（1）磨擦損失小、傳動效率高，高達 0.92~0.96（滑動絲杠為 0.2~0.40） 。（2）螺母之間預緊后，可以完全消除間隙，傳動精度高、剛性好。（3）磨擦阻力小，且?guī)缀跖c運動速度無關，動靜磨擦力之差極小，不易產生低速爬行現象，保證了運動的平穩(wěn)性。（4）磨損小，壽命長，精度保持性好。（5）不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉運動轉換為直線運動，也能將直線運動轉換為旋轉運動，可滿足一些特殊要求的傳動場合，但當立式使用時，應增加制動裝置。（6）工藝復雜，成本高。國產的標準滾珠絲杠副分為兩類：定位滾珠絲杠副（P 類） ，即通過旋轉角度和導程控制軸向位移量的滾珠絲杠副；傳動滾珠絲杠副（T 類） ，即與旋轉角度無關，用于傳遞動力的滾珠絲杠副。此外，滾珠絲杠副通常還可根據其特征進行分類，如按制造方法的不同分為普通滾珠絲杠副和滾軋滾珠絲杠副；按螺母類型式分為單側法蘭盤單螺母型、雙法蘭盤雙螺母型、圓柱雙螺母型、圓柱單螺母型、簡易螺母型及方螺母型等；按螺旋滾道型面分為單圓弧面和雙圓弧面；按滾珠的循環(huán)方式分為：外循環(huán)和內循環(huán)式。3.1.2 滾珠絲杠副的結構目前國內外生產的滾珠絲杠副，盡管在結構上各種各樣，其主要區(qū)別是在螺旋滾道型面的形狀、滾珠的循環(huán)方式以及軸向間隙的調整和預加載的方法等方面。3.1.3 螺紋滾道型面的形狀及其主要尺寸螺旋滾道型面（即滾道法向截形）的形狀有多種，常見的截形有單圓弧面和雙圓弧型面兩種。圖 3—2 為螺旋滾道型面的簡圖，圖中鋼球與滾道表面接觸點處的公法線與螺紋軸線的垂線間的夾角稱為接觸角 α。理想接觸角 α=45°。圖 3—2 滾珠絲杠副螺旋滾道型面的形狀（a） 單圓弧 （b）雙圓弧9（1）型面 如圖 3—2（a）所示，通常滾道半徑 rn 稍大于滾珠半徑 rw，通常 2rn=（1.04~1.11）Dw。對于單弧型面的螺紋滾道，接觸角 α 是隨軸向負荷F 的大小而變化。當 F=0 時，α=0 ，承載后，隨 F 的增大，α 的大小由接觸變形的大小決定。當接觸角 α 增大后，傳動效率 Ed、軸向剛度 Rc 以及承載能力隨之增大。（2）圓弧型面 如圖 3—2（b）所示，滾珠與滾道只在內相切的兩點接觸，接觸角 α 不變。兩圓弧交接處有一小空隙，可容納一些臟物。這對滾珠的流動有利。單圓弧型面，接觸角 α 是隨負載的大小而變化，因而軸承剛度和承載能力也隨之而變化，應用較少。雙圓弧型面，接觸角選定后是不變的，應用較廣。 3.1.4 絲杠副的循環(huán)方式常用的循環(huán)方式有兩種：滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱為內循環(huán)。圖 3—3 插管式外循環(huán)方式原理圖1—壓板 2—彎管（回珠管） 3—螺母 4—滾珠（1）外循環(huán) 外循環(huán)多用螺旋槽式和插管式。圖 3—3 所示為常用的插管式，被壓板 1 壓住的彎管 2 的兩端插入螺母 3 上與螺紋滾道相切的兩個孔內，引導滾珠 4 構成循環(huán)回路。特點是結構簡單、制造方便。但徑向尺寸較大，彎管端部容易磨損。若不用彎管，在螺母 3 的兩個孔內裝上反向器，引導滾珠通過螺母外表面的螺旋凹槽形成滾珠循環(huán)回路，則稱為螺旋槽式，其徑向尺寸較小，工藝也較簡單。外循環(huán)式使用較廣，其缺點是滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾動的平穩(wěn)性。（2）內循環(huán) 內循環(huán)均采用反向器實現滾珠循環(huán)，反向器有兩種型式。如10圖 3—4(a)所示為圓柱凸鍵反向器，反向器的圓柱部分嵌入螺母內，端部開有反向器槽 2。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的凸鍵 1 定位，以保證對準螺紋滾道方向。圖 3—4(b) 為扁圓鑲塊反向器，反向器為一半圓頭平鍵形鑲塊，鑲塊嵌入螺母的切槽中，其端部開有反向槽 3，用鑲塊的外廓定位。兩種反向器比較，后者尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。但這種反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求較高。圖 3—4 內循環(huán)方式原理圖1—凸鍵 2、3—反向器內循環(huán)反向器和外循環(huán)反向器相比，其結構緊湊、定位可靠、剛性好、且不易磨損、返回滾道短、不易發(fā)生滾珠堵塞、磨擦損失也小。其缺點是反向器結構復雜、制造困難、且不能用于多頭螺紋傳動。由于滾珠在進入和離開循環(huán)反向裝置時容易產生較大的阻力，而且滾珠在反向通道中的運動多屬前珠扒后珠的滑移運動，很少有“滾動” ，因此滾珠在反向裝置中的摩擦力矩 M 反在整個滾珠絲杠的摩擦力矩 Mt 中所占比重較大，而不同的循環(huán)反向裝置由于回珠通道的動軌跡不同，以及曲率半徑的差異，因而M 反/Mt 值較小。 3.2 縱向進給系統(tǒng)的設計與計算經濟型數控車床的改造一般是步進電機經減速驅動絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架左右移動。步進電機的布置，可放在絲杠的任意一端。對車床改造來說，外觀不必像產品設計要求的那么高，而從改造方便，實用方面來考慮。一般都把步進電機放在縱向滾珠絲杠的左端。3.2.1 縱向進給系統(tǒng)的設計計算電機初步估算轉速為 1500r/min，進給速度 Vmax=4m/min根據《機械設計手冊》可知：maxhvpn?（3-1）11——為滾珠絲杠的基本導程 mm；hPVmax——絲杠的最大移動速度 mm/min；nmax——絲杠副最大相對轉速 r/min；i——傳動比則：mPh13.250.14??所以根據滾珠絲杠基本導程的基本系列可在《機械設計手冊》中查到 Ph，選 Ph=6mm。已知條件：工作臺重量： W=95kg f=950N 步距角： 0.75/setp???滾珠絲杠基本導程： L0=6mm行程： S=1000mm脈沖當量 快速進給速度： =4m/minmaxV切削力計算 由《機床設計手冊》可知，切削功率（3-cNK??2）式中 N——電機功率，查機床說明書，N=7.5kw；——主傳動系統(tǒng)總效率，一般為 0.6-0.7 取 =0.65； ??K——進給系統(tǒng)功率系數，取為 K=0.96。則：N c=7.5 0.65 0.96=4.68kw?又因為（3—3）6120vFzc?vNcz式中 ——切削線速度，取 =150m/min。v主切削力??61204.8190.45ZFN???0.1/psetp?12由《金屬切削原理》可知，主切削力：ZZFCfK?? （3-4）式中：——切削深度（mm） ； ——進給量（mm/r） ；paf——總修正系數； FZK從《機床設計手冊》中可得知，在一般外圓車削時：(0.1~6)XZF?(0.15~.7)YZF??。? .5.9.4.2XZ?061056YF??3.2.2 滾珠絲杠設計計算根據《經濟型數控機床系統(tǒng)設計》可知，綜合導軌車床絲杠的軸向力：；'()XZPKfFW??式中 FX、F Y——為 X、Z 方向上的切削力；——導軌的摩擦系數； W——為工作臺的重量；'fK——考慮顛覆力矩影響的實驗系數。其中 K=1.15， =0.15 0.18，取為 0.16；'f~則：P=1.15 954.72+0.16 (1909.44+950)=1555.45N;?（1）計算：壽命值： 601iinTL?(3-5)——為滾珠絲杠當量轉速； ——使用壽命時間（h） ；in i由以上條件，可以確定步進電機與滾珠絲杠齒輪之間的傳動比：0.7561.236FLi?????由于電機軸與滾珠絲杠之間是降速傳動，所以滾珠絲杠的轉速為：13max1=150min120in.2nrri???電 機由《機械設計手冊》可知，當量轉速 ni 在 nmax 與 nmin 之間變化時：； （3—maxini?6）取 nmin 為 1r/min；則：1206.5/mini r??niir；則：= (轉)60150Li??641?最大動負載： (3-7)3iWHQLPf其中： P——滾珠絲杠的軸向力； ——壽命值；i——運動系數； ——硬度系數；Wf Hf從《經濟型數控機床系統(tǒng)設計》表中可查到： =1.2 ； =1；則： WfHf。35401.25.419.58QN???根據最大動負載荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號?？稍?《機械計手冊》中查到適合的滾珠絲杠。型號為 CMFZD4006—3.5—3 額定動載荷 18，800N，所以強度足夠用。(2) 效率計算根據《機械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率 為：?； (3-8)()tg?????式中： 為螺旋升角； 為摩擦角。其中：?0Ltgd?為滾珠絲杠基本導程； 為滾珠絲杠的公稱直徑；0 0d14'6243.10arctg????；滾珠絲杠副的滾動摩擦系數 f=0.003~0.004,其中摩擦角 可計算為：?'12rtf???則：。93.0)214(???tg?(3) 剛度驗算滾珠絲杠受工作負載 P 引起的導程變化量：； (3-9)EFL01???式中：——滾珠絲杠的基本導程（cm） ； P——工作負載（N ） ；0LE——彈性模量； F——滾珠絲杠截面積（按內徑定） （cm） ；滾珠絲杠截面積：； （3—10）2d????????其中：02deR??；式中：——滾珠絲杠滾道圓弧偏心距； R——滾道圓弧半徑；e其中：； （3—??/2cosWeRD???11）；1.04/式中：——滾珠直徑； ——接觸角；WD?根據《機械設計手冊》中的滾珠標準系列選 DW=4mm； 45???15則：41.042.2.08WRDm???；??/cos.cos450.7e m???????????；02402.72.83.9d????；3.59.10.4Fc???????????因此：；cmEPL6601 104.17.0.245???????滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量 很小，可忽略。2L?即：；1L??所以，導程變形總誤差 為：。m/43.71046.0????查表可知 3 級精度滾珠絲杠允許的螺距誤差（1 米）長為 19 ，故剛/um度夠用。(4) 穩(wěn)定性驗算由于滾珠絲杠兩端采用固定支承，所以穩(wěn)定性沒有問題。3.2.3 齒輪及轉距的有關計算(1) 有關齒輪計算傳動比 ：i；25.10.3670???pLi??故?。篫1=32； Z2=40； m=2； b=20mm； =20°；a； ；12364dmZ??2408dmZ???； ；*8aah?*aah?16。12648072dam???(2) 轉動慣量計算工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量：；2222180180.()()95.5.347pJWkgmkgc??????絲杠的轉動慣量：； （3—12）417.sDL?式中：——滾珠絲杠的公稱直徑； ——絲杠長度；D1則：4 227.81059.9.5sJkgcmkgc?????齒輪的轉動慣量：；4 21.6.2.17z?；278039zJkgc???電機的轉動慣量很小可忽略。因此，總轉動慣量：（3-13）221(9.563.)2.175.64.3. kgcm????(3) 所需轉動力矩計算快速空載啟動時所需力矩：； （3-max0fM??14）最大切削負載時所需力矩：；0atftM??快速進給時所需力矩：； （3—0f15）??2sZJJJi17式中：——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩；maxM——折算到電機軸上的摩擦力矩；f——由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩；0——切削時折算到電機軸上的加速度力矩；at——折算到電機軸上的切削負載力矩；tM；4109.6aJnNmT???當 時：mx；axM；min/3.8625.140max rPiVnh???；4ax2.3.9.71.9Nc??當 時：tn；atM?；min/17.4265.30214.310 rLfiDvfint ???；426.43.7.5905at Nmc????；002fFfWMihi???當 時， 時：0.8h?.16?；950.451.223.48.2f Nmc??；??01PLMi???18當 =0.9 時預加載荷 ，則：0?13bXPF?2 200(1)95.470.6(.9)0.576.618xFLMNmci??????；0...12382xt Nmci???所以，快速空載啟動所需力矩：max0fM??=917.7+14.522+5.776=738.000Ncm；切削時所需力矩： 0atftM??=15.7+1.4522+0.5776+9.12=26.85Nm=268.5Ncm；快速進給時所需力矩：M=Mf+M0=1.4522+0.5776=2.0298Nm=202.98Ncm；由上分析計算可知，所需最大力矩 發(fā)生在快速啟動時：maxMMmax=738.000Ngcm。3.3 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算經濟型數控改造的橫向進給的設計比較簡單，一般是步進電機經減速后驅動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進電機和機床和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。3.3.1 橫向進給系統(tǒng)的設計計算由于橫向進給系統(tǒng)的設計計算與縱向類似，所用到的公式不在詳細說明，只計算結果。電機初步估算轉速為 1500r/min，進給速度 =2 。maxV/in根據《機械設計手冊》可知； （3-inVPhmax?16）則：；minV07.125.1max??19根據《機械設計手冊》可查到滾珠絲杠的標準系列，初選 。4hPm?已知條件如下：工作臺重量： ； 30WN?脈沖當量： ；.5/mstep?步距角： ；7/at?進給速度： ；max2inV?滾珠絲杠基本導程： ；04L滾珠絲杠行程： ；65S(1) 削力計算橫向進給量為縱向的 ，取 ，則切削力約為縱向的 ：1~2312；90.45.7ZFN??在切斷工件時：；.5..2.36yZ?3.3.2 滾珠絲杠設計計算(1) 強度計算對于燕尾型導軌：； （3-()yZPKFfW???17）取 K=1.4， =0.2；f?則：；??1.47.3602954.73091.248PN?????壽命值：；6iinTL由以上條件，可以確定步進電機與滾珠絲杠齒輪傳動比：；7.105.3470???pi??由于電機軸與滾珠絲杠之間是降速傳動則：20;max13509/minnVri???電 ax由《機械設計手冊》可知，當量轉速 在 之間變化時：Vaxmin與；maxin2??取 為 時， ；取 ；inV1/ir450./inmVr?450/imr?因此：；6601iiTL??根據《經濟型數控機床》可知，最大動負載為：。 33459.28.16.42iWHQPf N??根據最大負載 Q 值，可選擇滾珠絲杠的型號,外循環(huán)插管埋入式雙螺母預緊式的滾珠絲杠，型號為 2004—2.5—3 左，其中額定動載荷為 14200N，所以強度夠用。(2) 效率計算經計算螺旋升角 ，摩擦角 ；20????10???則：。 3.926()(201)tgt????????(3) 剛度驗算滾珠絲杠受工作負載 P 引起的導程的變化量：； 6016291.2480..710.3(96)L cmEF???????:滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量 很小，即： 。所以，導程變2L:1L?:形總誤差為：；6102.7.8/4um????:查表可知 3 級精度絲杠允許的螺距誤差（1m）為 15 ，故剛度足夠。/um(4) 穩(wěn)定性由于選用的滾珠絲杠的直徑與絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定，一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強，故不再驗算。213.3.2 齒輪及轉矩有關計算(1) 有關齒輪計算傳動比：；0.7541.673603pLi?????故?。?， ， ， ， ， ，18Z22mb20a??136dm， ， ， 。260d?140ad?64ad8(2) 轉動慣量計算工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量：； 222180180.530.49347pJWkgcm??????????????????絲杠轉動慣量：；4 27.80.26.9sJkgc???齒輪的轉動慣量：；421.3.0.Z m??；278062Jkgc??電機轉動慣量很小可忽略，因此轉動慣量為：(3) 所需轉動力矩計算；max052383./min4VnrL???4axa.01.0.973.9.69625JMNcmT????；015..7/in3.43tnfi rDL??主；42870.580.9.6at mc???02.27N0.2873.1FfWMf mii????? ?????2 22121.907.2.60.439.81sZJJJ kgci ???????????22????2 20047.360.11.90.4.014685..2..YtFLMNcmi Ncm?????????所以，快速空載啟動所需轉矩：切削時需max09.7380.14.610.fMNc?????力矩：快速0.52.2.392.att m?進給時所需力矩：。0.87.140.34.1f Nc???從上計算可，最大轉矩發(fā)生在快速進給啟動時： max10.6MNc?3.4 滾珠絲杠副軸向間隙的調整和預緊方法滾珠絲杠副的軸向間隙，是指負載時滾珠與滾道型面接觸的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。滾珠絲杠副的軸向間隙直接影響其傳動剛度和傳動精度，尤其是反向傳動精度。因此，滾珠絲杠副除了對本身單一方面的進給運動精度有要求外，對其軸向間隙也有嚴格的要求。滾珠絲杠副軸向間隙的調整和預緊，通常采用雙螺母預緊方式，其結構型式有三種?；驹硎鞘箖蓚€螺母間產生軸向位移，以達到消除間隙和產生預緊力的目的。1．墊片調隙式圖 3—5 所示結構。是通過改變墊片的厚度，使螺母產生軸向位移。這種結構簡單可靠、剛性好，但調整費時，且不能在工作中隨意調整。圖 3—5 雙螺母墊片式結構圖2．螺帽調隙式 23圖 3—6 所示為利用螺帽來實現預緊的結構，兩個螺母以平鍵與外套相聯，鍵可限制螺母在外套內移動，其中右邊的一個螺母外伸部分有螺紋。用兩個鎖緊螺帽 1、2 能使螺母相對絲杠作軸向移動。這種結構既緊湊，工作又可靠，調整也方便，故應用較廣。但調整位移量不易精確控制。這種結構既緊湊，工作又可靠，調整也方便，幫應用較廣。但調整位移量不易精確控制，因此，預緊力也不能準確控制。圖 3—6 雙螺母帽式結構圖1、2 鎖緊螺帽 3．齒差調隙式 圖 3—7 所示為齒差式調整結構。在兩個螺母的凸緣上分別有齒數為Z1、Z2 的齒輪，而且 Z1、Z2 與相應的內齒圈相嚙合。內齒圈緊固在螺母座上，預緊時脫開內齒圈，使兩個螺母同向轉過相同的齒數，然后再合上內齒圈。兩螺線的軸向相對位置發(fā)生變化從而實現間隙的調整和施加預緊力。如果其中圖 3—7 雙螺母齒差式結構圖24一個螺母轉過 n 個齒時則其軸向位移量為 （Ph 為絲杠導程，Z1 為1hnsPZ?齒輪齒數） 。如兩齒輪沿同方向各轉過 n 個齒時，其兩螺母間相對軸向位移量（Z2 為另一齒輪齒數）或 。例如：??2112hhZPsZ?????????? ??12hsZnP?當 n=1，Z1=99 ，Z2=100， ,即兩個螺母在軸向產生 1 的位移。019hum?um這種調整方式的結構復雜，但調整準確可靠，精度較高。除上述三種雙螺母加預緊力的方式外，還有單螺母變導程自預緊和單螺母鋼球過盈預緊方式。3.5 滾珠絲杠副的安裝結構3.5.1 支承結構為了高偉動剛度，應合理確定滾珠絲杠副的參數、螺母座的結構、絲杠兩端的支承型式，以及它們與機床的聯接剛度。常用的支承方式有下列幾種，如圖 3—8 所示。（1）一端裝止推軸承（固定—自由式） 如圖 3—8(a)所示。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度低，僅適應于短絲杠。如數控機床的調整環(huán)節(jié)或升降臺式數控銑床的垂直坐標中。（2）一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承（固定—支承式） 如圖 3—8(b)所示。滾珠絲杠較長時，一端裝止推軸承固定，另一端由深溝球軸承支承。為了減少絲杠熱變形的影響，止推軸承的安裝位置應遠離熱源（如液壓馬達） 。（3）兩端裝止推軸承 如 3—8(c)所示。將止推軸承裝在滾珠絲杠的兩端，并施加預緊力，有助于提高傳動剛度。但這種安裝方式對熱伸長較為敏感。（4）兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定—固定式） 如圖 3—8(d)所示。為了提高剛度，絲杠兩端采用雙重支承，如止推軸承和深溝球軸承，并施加預緊力。這種結構方式可使絲杠的熱變形轉化為止推軸承的預緊力。25圖 3—8 滾珠絲杠的支承結構3.6 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除3.6.1 采用減速箱的目的及注意事項為了保證步進電機的啟動性能，要特別考慮負載慣性矩。當所帶負載的慣性矩增大時，由于步進電機是按電磁鐵吸力原理來動作，所以當慣性矩增大到某一值時，就會使步進電機產生擅動就會產生啟動不良效果，所以，使用步進電機時盡量選小的負載。在本次設計過程中我們采用減速齒輪來聯結滾珠絲杠和步進電機，以達到改變慣性矩的目的。同時，應該盡可能地消除配對齒輪之間的間隙，否則就會產生使運動滯后的指示信號的誤差，對加工件的精度就會產生很大的影響。3.6.2 減少或消除空程的必要性和方法1. 減少或消除空程的必要性數控機床的傳動精度，除了機床的幾何精度、絲桿精度影響外，又受其本身因素的影響，產生滯后現象而引起的間隙誤差。在這次設計改造過程中只能采用開環(huán)系統(tǒng)，數控系統(tǒng)不能對車床的誤差進行修改，所以只能通過機械的方式對其各部分傳動誤差進行修改。2. 消除方法本次設計采用雙片齒輪來達到消隙的目的，通常將一對齒輪的從動齒制成兩片，其中一片固定在軸上，兩片之間裝有彈簧，彈簧力使兩片齒輪的齒廓分別與主動齒輪的齒廓貼緊，從而完全消除了齒側間隙。26第四章 數改 CA6140 自動刀架設計在零件的加工制造過程中，大量的時間用于更換刀具，裝卸、測量和搬運零件等非切削時間上，切削加工時間僅占整個工時中較小的比例。數控機床要提高效率的重要內容之一，就是要縮短非切削時間。為此，近年來帶有自動換刀裝置的數控機床（加工中心）得以迅速的發(fā)展。自動換刀裝置已廣泛用于各種多工序數控機床，臺鏜床、銑床、車床及組合機床等。使用這種裝置，不僅提高了機床的生產效率，擴大了單功能數控機床的使用范圍，而且由于零件在一次安裝中完成多工序加工，大大減少了零件安裝定位次數，從而提高了加工精度。自動換刀數控機床上，對自動換刀裝置的基本要求是：換刀時間短、刀具重復定位精度高、足夠的刀具存儲量、刀庫占地面積小及安全可靠等。4.1 自動刀架的分類1.螺旋轉位刀架 2.十字槽輪轉位刀架 3.凸臺棘爪式轉位刀架 4.2 自動刀架的設計從自動轉位刀架的工作原理可知，這類刀架由控制系統(tǒng)直接控制，刀架能自動完成抬起、回轉、選位、下降、定位和壓緊這樣一系列的動作，下面是數改 CA6140 車床自動刀架的工作過程如下：1.刀架抬起當數控裝置發(fā)出換刀指令后，步進電機啟動正轉，通過平鍵套筒聯軸器使蝸桿軸 1 轉動，從而帶動蝸輪 2 轉動。蝸輪與轉軸連接在一起，因此一起轉動，刀架體 7 的內孔加工有螺紋，與轉軸連接在一起的絲杠套 5 外圈有螺紋。當蝸輪開始轉動時，由于刀架底座 3 和刀架體 7 上的端面齒處在嚙合狀態(tài)，且絲杠套軸向固定，因此這時刀架體 7 抬起。2.刀架轉位當刀架體抬至一定距離后，端面齒脫開，轉位套 8 用銷釘與絲杠套聯接，隨轉軸一同轉動，當端面齒完全脫開時，轉位套正好轉過 60 度，球頭銷 11 在彈簧力的作用下進入轉位套 8 的槽中，帶動刀架體轉位。3.刀架定位刀架體 7 轉動，當轉到程序指定的刀號時，粗定位銷 4 在彈簧的作用下進入刀體底座的粗定位盤的槽中進行粗定位，同時霍爾開關發(fā)出電機反轉的指令，使電機反轉。由于粗定位銷的限制，刀架體 7 不能轉動，使其在該位置垂直落下，刀架體 7 和刀架底座 3 上的端面齒嚙合實現精確定位。274.夾緊刀架電動機繼續(xù)反轉，此時蝸輪停止轉動，蝸桿軸 1 自身轉動，當兩端面齒增加到一定夾緊力時，電動機 1 停止轉動，實現了夾緊。圖 4—1 自動轉位六方刀架28第五章 數改 CA6140 步進電機的設計5.1 步進電機的工作方式步進電機的工作方式和一般電機的不同，是采用脈沖控制方式工作的。只有按一定的規(guī)律對各相繞組輪流通電，步進電機才能實現轉動。數控機床中采用的功率步進電機有三相、四相、五相、和六相等。一般電機的相數越多，工作方式越多。由步距角計算可知，循環(huán)拍數越多，步距角越小，因此定位精度越高。另外，通電循環(huán)拍數和每拍通電相數對步進電機的矩頻特性、穩(wěn)定性等都有很大的影響。步進電機的相數也對步進電機的運行性能有很大影響。為提高步進電機輸出轉矩、工作頻率和穩(wěn)定性，可選用多相步進電機，并采用 2×m 拍工作方式。5.2 步進電機的選擇5.2.1 步進電機選用的基本原則合理選用步進電機是比較復雜的問題，需要根據電機在整個系統(tǒng)的實際工作情況，經過分析后才能正確選擇?，F僅就選用步進電機最基本的原則介紹如下：（1）步距角 步距角應滿足：?mnai?（5-1）式中：——傳動比；i——系統(tǒng)對步進電機所驅動部件的最小轉角。mna（2） 精度步進電機的精確可用步距誤差或積累誤差衡量。積累