CA6150車床數控化改造設計
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題 目：
CA6150車床數控化改造設計
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指導教師：
摘 要
摘 要
目前，我國擁有300多萬臺機床，是生產和使用機床最多的國家之一, 但現有機床大多數服役年齡較長.大都是多年來生產積累的通用機床，設備陳舊落后.柔性和自動化程度低。要想在短時期內大量地更新現有設備，無論從資金還是國內機床制造廠的生產能力都很難做到。對于機床進行數控化改造投資少，見效快，是機械制造廠挖掘技改的一條成功之路。 對CA6150車床進行數控化改造，使其可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件?？梢詫崿F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。加工零件的精度高，尺寸分散度小，擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自律功能。降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力，減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。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。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數控技術為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數控技術改造機床和生產線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產線數控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生業(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。由于數控機床具有自動化程度高加工精度高,質量穩(wěn)定,便于生產管理現代化等特點.數控機床的應用越來越普及,也是制造業(yè)現代化的必然趨勢.如果全部淘汰舊機床而采用新的數控機床不僅所需資金太大,而且會造成原有設備的閑置和浪費. 我國的再制造技術研究起步較晚.迫切需要大力發(fā)展,即能充分利用原有的舊設備資源,減少浪費又能夠以較小的代價獲得性能先進的設備,滿足現代化生產的要求.
關鍵詞 流伺服電機;精度修復;潤滑;數控系統(tǒng)
佳木斯大學教務處 第 II 頁
Abstract
Abstract
At present, China has more than 300 million Taiwan machine tools, production and use of machine tools is one of the largest, but most of the existing machine tools serving older. Mostly for the production of generic machine tools accumulation, equipment outdated. Soft and low level of automation. If in a short period of time to update the existing equipment, whether from internal funds or machine tool factory capacity will be very difficult to achieve. Numerically controlled machine tools for the transformation of the investment, effective, and is a machinery factory excavation technological transformation on the road to success. CA6150 lathe for digital technology to transform so that it can not be processed by the processing of the curve of traditional machine tools, camber and other complex components. Automated processing can be achieved, but flexible automation to increase efficiency comparable traditional machine tools 3~7 times. High-precision processing components, small size dispersion degree, have automatic warning, automatic control, automatic compensation, and many other self-regulatory functions. Reduced labor intensity of the workers, labour savings, reducing suits, thus shortening the production cycle and new product testing cycle, rapid response to market demand, and so on. In the United States, Japan, Germany, and other developed countries, the transformation of their machine tools industry as a new economic growth, business vitality, are in a golden age. As machine tools, and technical progress, the transformation is a machine tool "eternal" issue. China's machine tool industry transformation, but also from old industries to digital access to the new technology-based industries. In the United States, Japan, Germany, using digital technology to transform machine tools and production lines will have broad market, has formed a numerically controlled machine tools and production lines of the new industries. In the United States, the machine tool industry as machine tools to transform renewable industry. There are well-known companies engaged in renewable industry : Bertsche Engineering, ayton Machine Tool Company, Devlieg-Bullavd (a treasure) service groups, U.S. equipment companies. Po companies in the United States to China for the company. In Japan, the machine tool industry as machine tools modified transformation industry. Modification of the famous companies in the industry : large cove engineering group, Post 3 Machinery Company, the plane section Tian companies, engineering companies wild Miyazaki, Hamada Engineering, the engineering company hill. The digital machine with a high degree of automation for processing high accuracy, quality stability, ease of production characteristics of modern management. Numerically controlled machine tools applications growing popularity is the inevitable trend of modern manufacturing. If all out of the old machine tools and the introduction of new digital machine is not only the necessary funds, but will also cause the original equipment idle and waste. My re-manufacturing technology research started rather late. the urgent need to develop, namely the old equipment to fully utilize existing resources, reduce waste and the costs can be advanced to the smaller equipment to meet the requirements of modern production.
Keywords Electrical exchange ；servo;Precision repair ；Lubricant ；Digital systems
目 錄
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第 1 章 設計方案的論證 3
1.1 數控系統(tǒng)的選擇 3
1.2 滾珠絲杠螺母副與電機的連接 3
第 2 章 機械部分的改造 5
2.1 對機床進行恢復精度 5
2.2 X向滾珠絲杠副和伺服電機的選擇和計算 5
2.2.1 滾珠絲杠副支撐方式的選擇 5
2.2.2 精度選擇 6
2.2.3 絲杠導程P的確定 6
2.2.4 根據類比法初步確定絲杠規(guī)格 6
2.2.5 承載能力校核 6
2.2.5.1 切削力的計算 7
2.2.5.2 摩擦阻力F1的計算 7
2.2.5.3 承載能力校核 8
2.2.6 交流伺服電機選擇計算 8
2.2.6.1 加減速時扭矩初步確定伺服電機型號 9
2.2.6.2 最高轉速校核 10
2.2.6.3 電機軸上的負載慣量校核 11
2.3 Z向滾珠絲杠副和伺服電機的選擇和計算 11
2.3.1 滾珠絲杠副支撐方式的選擇 11
2.3.2 精度選擇 11
2.3.3 絲杠導程P的確定 11
2.3.4 根據類比法初步確定絲杠規(guī)格 12
2.3.5 承載能力校核 12
2.3.5.1 摩擦阻力F1的計算 12
2.3.5.2 承載能力校核 12
2.3.5.3 壓桿穩(wěn)定性校核 13
2.3.5.4 絲杠剛度的校核 14
2.3.6 交流伺服電機選擇計算 14
2.3.6.1 加減速時扭矩初步確定伺服電機型號 14
2.3.6.2 最高轉速校核 15
2.3.6.3 電機軸上的負載慣量校核 16
2.4 溜板箱縱橫向滾珠絲杠和導軌潤滑 16
2.5 通過從廠家所得到的技術資料畫縱向和橫向滾珠絲杠裝配圖 16
2.5.1 X向和Z向滾珠絲杠裝配圖的設計過程 16
2.6 主軸箱和拖板箱的改造 17
2.7 安全防護 17
第 3 章 數控系統(tǒng)的加裝 18
3.1 數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 18
3.1.1 趨勢之一：數控系統(tǒng)向開放式體系結構發(fā)展 18
3.1.2 趨勢之二：數控系統(tǒng)向軟數控方向發(fā)展 18
3.1.3 趨勢之三：數控系統(tǒng)控制性能向智能化方向發(fā)展 19
3.1.4 趨勢之四：數控系統(tǒng)向網絡化方向發(fā)展 19
3.1.5 趨勢之五：數控系統(tǒng)向高可靠性方向發(fā)展 20
3.1.6 趨勢之六：數控系統(tǒng)向復合化方向發(fā)展 20
3.1.7 趨勢之七：數控系統(tǒng)向多軸聯動化方向發(fā)展 21
3.2 交流伺服電機驅動的車床數控系統(tǒng)的選擇 21
3.3 北京航天數控系統(tǒng)有限公司最新推出的CASNUC2100E數控系統(tǒng)的性能 22
3.3.1 系統(tǒng)簡介 22
3.3.2 系統(tǒng)特點 22
3.3.3 系統(tǒng)性能 22
3.3.4 系統(tǒng)簡介 23
3.4 數控自動換刀刀架的選擇 24
3.5 電器原理圖 24
第 4 章 結論 26
參考文獻 27
致 謝 28
附錄1 29
佳木斯大學教務處 第 41 頁
畢 業(yè) 論 文（設 計）用 紙
第 1 章 設計方案的論證
1.1 數控系統(tǒng)的選擇
方案1 步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)
該系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由數控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。該系統(tǒng)結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。
方案2 交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數控系統(tǒng)
??? 半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補償系統(tǒng)環(huán)路內部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結構與調試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機作成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。
根據數控改造后機床要達到較高的精度，快速定位X 軸 5m/min ,Z軸 10m/min最小移動單位X 軸0.0005mm , Z軸0.001mm，并且，直流伺服電機有電刷和換向器，必須定期的維修，而交流伺服電機采用全封閉無刷機構，不需要定期的維修，交流伺服電機比直流伺服電機有更優(yōu)越的性能.得到越來越廣泛的應用。所以，方案3比較合適。
1.2 滾珠絲杠螺母副與電機的連接
方案1 采用齒輪連接
這種方法可以降低絲杠工作臺在系統(tǒng)中所占的比重，提高進給系統(tǒng)的快速性。可利用伺服電機高速底轉矩的特性。在開環(huán)系統(tǒng)中還起到機械和電器的匹配作用。但是，傳動裝置結構簡單降低傳動效率增加噪聲。傳動級數的增加必將帶來傳動部件間隙和摩擦的增加，從而影響進給系統(tǒng)的性能。傳動齒輪副的存在，在開環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)中，將影響加工精度。
方案2 采用連軸器連接直接連接
這是一種最簡單的連接，這種形式具有扭轉剛度。傳動機構本身無間隙。傳動精度。而且結構簡單。安裝方便。在輸出扭矩要求在15-40Nm左右的中小型機床或高速加工機床中非常普遍。
綜上所素，由于CA6150車床屬于中小型機床，控制系統(tǒng)采用半閉環(huán)，為了提高機床精度方案2 較合適。
第 2 章 機械部分的改造
2.1 對機床進行恢復精度
機床經長期使用后，會不同程度地在機械、液壓、潤滑、清潔等方面存在缺陷，所以首先要進行全面保養(yǎng)。更換主軸的齒輪和軸承。根據當前國內外成品數控機床的導軌采用淬硬的合金鋼材料，其耐磨性比普通鑄鐵導軌高5至10倍。據此，在改造中利用CA6150車床舊床身，采用GCR15軸承鋼淬硬到HRC56-62制成對稱三角行導軌和矩形導軌，對稱三角行導軌在垂直載荷的作用下，磨損能自動補償，不產生間隙，故導向精度高。壓板還有間歇調整裝置。矩形導軌結構簡單，制造檢驗和修理方便，導軌較寬，承載能力大，剛度高，應用廣泛。三角行導軌和矩形導軌組合它間有兩種導軌優(yōu)點，并避免了由于熱變形所引起的配合變化。用螺釘和粘劑固定在鑄鐵床身上。粘接前的導軌工作表面采用磨削加工，表面粗糙度Ra0.8mm，以提高粘接強度。最后，應對機床作一次改前的幾何精度、尺寸精度測量，記錄在案。
2.2 X向滾珠絲杠副和伺服電機的選擇和計算
2.2.1 滾珠絲杠副支撐方式的選擇
X向選擇固定---自由式，如圖2.1。
圖2.1 X向支撐方式
單列圓錐滾子軸承這種軸承徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其能承受較強的動載荷，安裝與調整性能也好。所以X向固定端選擇一對單列圓錐滾子軸承。
2.2.2 精度選擇
滾珠絲杠的精度直接影響數控機床的定位精度,在滾珠絲杠精度參數中,其導程誤差對機床定位精度影響最明顯。一般在初步設計時設定絲杠的任意300mm行程變動量V300p應小于目標設定位的定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。初選X向三級。
2.2.3 絲杠導程P的確定
絲杠導程的選擇一般根據設計目標快速進給的最高速度為Vmax、伺服電機的最高轉速Nmax、及電機與絲杠的傳動比i來確定,基本絲杠導程應滿足式2.1為:
P…………………………………………………………………………………（2.1）
式中： Vmax=5000mm/min
nmax=3000r/min i=1
P=5000/3000=1.7mm車床改造中取P＝4，5，6，8。
所以取P=4mm
2.2.4 根據類比法初步確定絲杠規(guī)格
關于根據類比法：L1=L2*K
式中 L1—新選滾珠絲杠公稱直徑mm
L2------原機床絲杠公稱直徑25mm
K-------系數（0.6～0.9）
所以L1=25*0.8=20mm
根據工作臺X向移動距離選滾珠絲杠的螺紋長 350mm，設計需要初選滾珠絲杠總長Lp=400mm。滾珠絲杠的滾珠內循環(huán)方式時滾珠循環(huán)的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸較小。選用雙螺母齒差預緊式可實現定量調整即可進行精密調整，使用中調整非常方便。為了使?jié)L珠絲杠副運轉靈活，延長使用壽命，必須考慮充足的潤滑條件。漢江絲杠廠已在螺母法蘭外圓上考慮了潤滑油孔，供顧客使用。所以初選漢江絲杠廠生產的
HJG-S系列FYND20*4R-3-P3-400-350。
2.2.5 承載能力校核
2.2.5.1 切削力的計算
車床的用途不同，切削條件和切削用量就不同，因此切削力就不同。對于專門用途的車床改造，應根據其切削用量按切削力計算公式計算切削力。對于變動工作用量的車床改造，用經驗公式計算切削力。本車床屬于變動工作用量的車床改造，所以用經驗公式2.2計算切削力，個切削力之比為公式2.3，切削力方向如圖2.2
Fc=0.67D1．5 ………………………………………………………………………………（2.2）
Fc：Ff：Fp=1:0.1:0.15…………………………………………………………………..（2.3）
式中，D為車床床身上的最大回轉直徑(mm)。
Fc為垂直向的切削力（N）
Ff為進給方向上的分力（N）
Fp為吃刀方向上的分力（N）
圖2.2切削力方向
D=500(mm)
Fc=0.67*5001．5 = 7490.83N
Ff=0.1 Fc=0.1*7490.83=749.08N
Fp=0.15 Fc=0.15*7490.83=1123.62N
2.2.5.2 摩擦阻力F1的計算
溜板箱與導軌為滑動摩擦，摩擦系數u（0.08～02）取u=0.1,因主切削力壓向導軌，則由式2.4得：
F1=（G+ Fc）*u………………………………………………………………………………（2.4）
式中G--工作臺質量200kg
F1=（200*10+7490.83）*0.1=949.08N
2.2.5.3 承載能力校核
由式2.5計算絲杠的最大動載荷Q
Q=……………………………………………………………………（2.5）
式中 L——為滾珠絲杠的壽命系數（單位為1* ）L=60NT/其中T為使用壽命時間（H）,（普通車床為5000～10000，數控機床及其他機電一體化設備及裝置儀器為15000，航空機械為1000）所以取T=15000，奠基最大轉速N=3000
——為硬度系數（HRC 58時為1.0，等于55時為1.11，52.5時為1.35，50時為1.56，45時為2.40）因為HRC=58，所以=1.0
——載荷系數（平穩(wěn)或輕沖擊時為1.0～1.2中等沖擊時為1.2～1.5，較大沖擊時為1.5～2.5）機床屬于中等沖擊所以=1.2
Q-----最大動載荷
= Fp +F1=1123.62+949.08=2072.68N
則Q==28861.57N
根據漢江絲杠廠生產的HJG-S系列FYND20*4R-3-P3-400-350絲杠額定載荷=38639Q(所以滿足使用)
2.2.6 交流伺服電機選擇計算
由于交流伺服電機比直流伺服電機有更優(yōu)越的性能、得到越來越廣泛的應用。在選擇電機時應考慮滿足以下五項要求。以使交流伺服電機的工作性能得以充分發(fā)揮。
2.2.6.1 加減速時扭矩初步確定伺服電機型號
(1) 求等效到電機軸上的轉動慣量
采用最不利于機床啟動時速度，這里選用快速定位速度
= 5m/min，=3000r/min，=200kg
絲杠的轉動慣量=Lp*=7.8**40*=0.5（kg）=0.5*（kg）
設電機轉子的轉動慣量為=0.64*（kg）
則等效到電機軸上的轉動慣量為：
=*200*(5/3000)+ +=1.29*（kg）
(2) 絲杠摩擦阻力矩的計算。
由于絲杠承受軸向載荷，又由于采取了一定的預緊措施，故滾珠絲杠會產生摩擦阻力矩。但由于滾珠絲杠的效率高，其摩擦阻力矩相對于其他負載力矩小的多，故一般不與考慮。
(3) 等效負載轉矩。
===0.34(Nm)
(4)啟動慣性阻力矩T的計算。
以最不利于電機啟動時的快進速度計算，設啟動加速或制動時間為△t=0.3s電機轉速,取加速曲線為等加（減）速梯形曲線，故角加速度為
……………………………………………………………………………………（2.6）
=314（1/s）
=1046.67（1/）
T==1.29**1046.67=0.14(Nm)
(5) 電機輸出軸上總負載轉矩的計算
=T+……………………………………………………………………………（2.7）=0.34+0.14=0.48(Nm)
(6)上述計算均沒考慮機械系統(tǒng)的傳動效率，并且在車削時，由于材料的不均勻等因素的影響，會引起負載轉矩突然增大，為避免計算上的誤差以及負載轉矩突然增大等引起加工誤差，可以適當考慮安全系數。安全系數一般在1.2-2之間選取，取安全系數K=1.5，選擇機械傳動總效率=0.7時
=K/=1.5*0.48/0.7=1.03
初選三菱公司生產的HC-KFS系列交流伺服電機43（BG）型號(與之相配的伺服放大器型號MR-J2S-40A/B)其額定轉矩為1.3(Nm)大于，所以滿足要求。
2.2.6.2 最高轉速校核
快速行程的電機轉速必須嚴格限制在電機的最高轉速之內。
*…………………………………………………………………………（2.8）
式中 N max ——電機最高轉速, r/min
N ————快速行程中電機轉速, r/min
V m ————工作臺(或刀架) 快速行程速度, m/min
i—— ——系統(tǒng)傳動比, i= N 電機/N絲杠
P ————絲杠螺距,mm
N max= 3000， V m =5，i=1， P=4
N=（5/4）*=1250Nmax
所以滿足要求。
2.2.6.3 電機軸上的負載慣量校核
轉換到電機軸上的負載慣量負載慣量應限制在2.5 倍電機慣量之內
X向HC-KFS系列交流伺服電機43（BG）型號電機轉動慣量J1=0.67*（kg）
則等效到電機軸上的轉動慣量為：=1.29*（kg）
0.67**2.5 所以滿足要求。
2.3 Z向滾珠絲杠副和伺服電機的選擇和計算
2.3.1 滾珠絲杠副支撐方式的選擇
由于固定---支承適用于中等轉速、高精度。所以Z向選擇固定---支承式。如圖2.3。
圖2.3滾珠絲杠副支撐方式
Z向的固定端選擇一對單列圓錐滾子軸承。Z向支撐端選擇一個深溝球軸承。
2.3.2 精度選擇
滾珠絲杠的精度直接影響數控機床的定位精度,在滾珠絲杠精度參數中,其導程誤差對機床定位精度影響最明顯。一般在初步設計時設定絲杠的任意300mm行程變動量V300p應小于目標設定位的定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。初選Z向四級。
2.3.3 絲杠導程P的確定
絲杠導程的選擇一般根據設計目標快速進給的最高速度為Vmax、伺服電機的最高轉速Nmax、及電機與絲杠的傳動比i來確定,基本絲杠導程應滿足式2.1為:
P…………………………………………………………………………………（2.9） vmax=10000mm/min
nmax=3000r/min i=1
P=10000/3000=3.3 mm
車床改造中取P＝4，5，6，8
所以取P=4mm
N=（10/4）*=2500Nmax
所以滿足要求
2.3.4 根據類比法初步確定絲杠規(guī)格
關于根據類比法：L=L1*K
式中 L—新選滾珠絲杠公稱直徑mm
L1------原機床絲杠公稱直徑40mm
K-------系數（0.6～0.9）
所以L=40*0.8=32mm
根據工作臺X向移動距離選滾珠絲杠的螺紋長1000mm
根據設計需要初選滾珠絲杠總長1200mm
所以初選漢江絲杠廠生產Z向HJG-S系列FYND32*4R-3-P4-1200-1000
2.3.5 承載能力校核
2.3.5.1 摩擦阻力F1的計算
溜板箱與導軌為滑動摩擦，摩擦系數u（0.08～02）取u=0.1,因主切削力壓向導軌，則由式2.4得：
F1=（G+ Fc）*u………………………………………………………………………………（2.11）
F1=（G+ Fc）*u=（400*10+7490.83）*0.1=1149.08N
2.3.5.2 承載能力校核
由式2.12計算絲杠的最大動載荷Q
Q=……………………………………………………………………（2.12）
式中L=60NT/,取T=15000，N=3000；=1.0，=1.2，
= Ff +F1=749.08+1149.08=1898.16N
則Q==31889.09 N
根據漢江絲杠廠生產的HJG-S系列FYND32*4R-3-P4-1200-1000
絲杠額定載荷=60803Q(所以滿足使用)
2.3.5.3 壓桿穩(wěn)定性校核
軸向固定的長絲杠在承受壓縮負載時,應校核其壓桿穩(wěn)定性,Z向是長絲杠，所以需要校核。臨界壓縮載荷按下式進行校核計算:
式中:E為絲杠材料的彈性模量;
I為最小慣性截面矩
為壓桿穩(wěn)定的支撐系數如表2.1
固定——固定
4
固定——支承
2
支承——支承
1
固定——自由
0.25
表2.1 穩(wěn)定的支撐系數
實際承受載荷能力
如果時會使死杠失去穩(wěn)定易發(fā)生翹曲。
式中 =2，E=2.1*Pa，I= ==3.83（）
取K=4，L=120cm
則=2.51*N(所以滿足使用)
2.3.5.4 絲杠剛度的校核
滾珠絲杠在軸向力的作用下產生拉伸或壓縮。在扭矩的作用下產生扭轉，這將引起絲杠導程的變化，從而影響其傳動精度及定位精度，因此滾珠絲杠應演算滿載時的變形量。滾珠絲杠在工作負載P和扭矩M的作用下引起那種每一導程的變化量ΔL為：
ΔL=…………………………………………………………………………（2.12）式中 導程=0.4cm
鋼的彈性模量E=2.1*Pa
絲杠的最小截面積S===19.63（）
絲杠的小徑的截面積I=3.83（），
扭矩M=784，工作負載P==1898.16N
則ΔL== 0.0344um
而Z軸的最小移動單位0.001mm 0.0344um (所以滿足使用)
2.3.6 交流伺服電機選擇計算
2.3.6.1 加減速時扭矩初步確定伺服電機型號
（1）求等效到電機軸上的轉動慣量
Z向 = 10m/min，=3000r/min，=400kg
絲杠的轉動慣量=7.8*3*120*=7.58（kg）=7.58*（kg）
設電機轉子的轉動慣量為=2.6*（kg）
則等效到電機軸上的轉動慣量為
=*400*(10/3000)+ +=1.13*（kg）
（2） 等效負載轉矩。
=
==1.01(Nm)
（3）啟動慣性阻力矩T的計算。
以最不利于電機啟動時的快進速度計算，設啟動加速或制動時間為△t=0.3s電機轉速,取加速曲線為等加（減）速梯形曲線，故角加速度為
……………………………………………………………………………………（2.13）
=314（1/s）
=1046.67（1/）
T=*=1.13**1046.67=1.18(Nm)
（4）電機輸出軸上總負載轉矩的計算
=T+…………………………………………………………………………（2.14）
=1.01+1.18=2.19(Nm)
（5）考慮機械系統(tǒng)的傳動效率和由于材料的不均勻等因素的影響引起負載轉矩突然增大，情況。取安全系數K=1.5，選擇機械傳動總效率=0.7時
=K/=1.5*2.19/0.7=4.69
初選三菱公司生產的HC-UFS系列交流伺服電機152（B）型號 （伺服放大器型號MR-J2S-200A/B）其額定轉矩為7.16(Nm)大于所以滿足要求
2.3.6.2 最高轉速校核
Z向N max=3000， V m =10，i=1， P=4
N=（10/4）*=2500Nmax
所以滿足要求
2.3.6.3 電機軸上的負載慣量校核
轉換到電機軸上的負載慣量負載慣量應限制在2.5 倍電機慣量之內,Z向HC-UFS系列交流伺服電機132（BG）型號電機轉動慣量J1=4.2*（kg）,等效到電機軸上的轉動慣量為：=1.29*（kg）,4.2**2.5 *2.5 所以滿足要求 。
2.4 溜板箱縱橫向滾珠絲杠和導軌潤滑
對數控車床來說，導軌除應具有普通車床導向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，以減少導軌變形對加工精度的影響，所以要有合理的導軌防護和潤滑。溜板箱縱橫向滾珠絲杠和導軌采用重慶第二機床廠生產的間歇式自動潤滑系統(tǒng)。
2.5 通過從廠家所得到的技術資料畫縱向和橫向滾珠絲杠裝配圖
2.5.1 X向和Z向滾珠絲杠裝配圖的設計過程
首先選擇定位基準，Z向左端選擇拆除進給箱后所露出的右側進給箱定位銷和固定平面為新設計的電機架的的定位銷和固定平面，進給箱后所露出的右側進給箱固定羅紋孔為新設計的電機架的的固定羅紋孔。Z向右端選擇原絲杠右端軸承座的定位銷和固定平面為新設計軸承座的定位銷和固定平面，原絲杠右端軸承座的固定羅紋孔為新設計的軸承座的固定羅紋孔。X向選擇小拖板的前側面加工定位平面和加工定位孔為基準。根據定位基準進一步確定其他尺寸。
X向裝配圖如圖2.4
Z向裝配圖如圖2.5
Z向螺母座1如圖2.6
Z向向螺母座2如圖2.7
Z向尾座支架圖如2.8
Z向電機座內端蓋如圖2.9
X向端蓋圖如2.10
X向電機軸圖如2.11
X向定位套圖如2.12
X向電機座圖如2.13
X向螺母座圖如2.14
2.6 主軸箱和拖板箱的改造
拆除原拖板箱，利用此位置安裝新拖板箱，新拖板箱除固定滾珠絲杠的螺母外都不要。在主軸箱的二軸加裝主軸17位位置編碼器。將主軸正反離合器手動剎車裝置拆除，在主軸驅動電抗上加裝自動剎車離合器裝置。電器系統(tǒng)控制電機正反轉。拆除原機床操縱桿，變向杠、立軸等杠桿零件。電路連接如電器原理圖。原冷卻泵該由數控系統(tǒng)控制，如電器原理圖。
考慮車床工作臺Z向的的移動范圍，選擇IGUS公司的E4系列拖鏈302型號。
2.7 安全防護
高效必須以安全為前提。在機床改造中要根據實際情況采取相應的措施，是不可忽視的。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴防灰塵特別是切屑及硬砂粒進入滾道。在縱向絲杠上加整體鐵板防護罩。大拖板與滑動導軌接觸的兩端面密封好，防止硬質顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌。并且滾珠絲杠在使用時，也要防止螺母脫離絲杠表面，因為螺母一旦脫離滾珠將散落，此時滾珠絲杠副不能正常工作，嚴重時會引起設備事故，因此在主機上必須配置防止螺母脫出的超程保護裝置，為了保障機床的運行安全,機床的X向和Z向運動通常設置有軟限位（參數設定限位）和硬限位（行程開關限位）兩道保護“防線”。 軟限位由選擇的數空系統(tǒng)參數設定限位，硬限位在X向和Z向分別裝一對行程開關，電路連接如電路圖。
第 3 章 數控系統(tǒng)的加裝
3.1 數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
從1952年美國麻省理工學院研制出第一臺試驗性數控系統(tǒng)，到現在已走過了半個世紀歷程。隨著電子技術和控制技術的飛速發(fā)展，當今的數控系統(tǒng)功能已經非常強大，與此同時加工技術以及一些其他相關技術的發(fā)展對數控系統(tǒng)的發(fā)展和進步提出了新的要求。
3.1.1 趨勢之一：數控系統(tǒng)向開放式體系結構發(fā)展
20世紀90年代以來，由于計算機技術的飛速發(fā)展，推動數控技術更快的更新換代。世界上許多數控系統(tǒng)生產廠家利用PC機豐富的軟、硬件資源開發(fā)開放式體系結構的新一代數控系統(tǒng)。開放式體系結構使數控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、可擴展性，并可以較容易的實現智能化、網絡化。近幾年許多國家紛紛研究開發(fā)這種系統(tǒng)，如美國科學制造中心(NCMS)與空軍共同領導的“下一代工作站/機床控制器體系結構”NGC，歐共體的“自動化系統(tǒng)中開放式體系結構”O(jiān)SACA，日本的OSEC計劃等。開放式體系結構可以大量采用通用微機技術，使編程、操作以及技術升級和更新變得更加簡單快捷。開放式體系結構的新一代數控系統(tǒng)，其硬件、軟件和總線規(guī)范都是對外開放的，數控系統(tǒng)制造商和用戶可以根據這些開放的資源進行的系統(tǒng)集成，同時它也為用戶根據實際需要靈活配置數控系統(tǒng)帶來極大方便，促進了數控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應用，開發(fā)生產周期大大縮短。同時，這種數控系統(tǒng)可隨CPU升級而升級，而結構可以保持不變。
3.1.2 趨勢之二：數控系統(tǒng)向軟數控方向發(fā)展
現在，實際用于工業(yè)現場的數控系統(tǒng)主要有以下四種類型，分別代表了數控技術的不同發(fā)展階段，對不同類型的數控系統(tǒng)進行分析后發(fā)現，數控系統(tǒng)不但從封閉體系結構向開放體系結構發(fā)展，而且正在從硬數控向軟數控方向發(fā)展的趨勢。
傳統(tǒng)數控系統(tǒng)，如FANUC 0系統(tǒng)、MITSUBISHI M50系統(tǒng)、SINUMERIK 810M/T/G系統(tǒng)等。這是一種專用的封閉體系結構的數控系統(tǒng)。目前，這類系統(tǒng)還是占領了制造業(yè)的大部分市場。但由于開放體系結構數控系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)數控系統(tǒng)的市場正在受到挑戰(zhàn)，已逐漸減小。
“PC嵌入NC”結構的開放式數控系統(tǒng)，如FANUC18i、16i系統(tǒng)、SINUMERIK 840D系統(tǒng)、Num1060系統(tǒng)、AB 9/360等數控系統(tǒng)。這是一些數控系統(tǒng)制造商將多年來積累的數控軟件技術和當今計算機豐富的軟件資源相結合開發(fā)的產品。它具有一定的開放性，但由于它的NC部分仍然是傳統(tǒng)的數控系統(tǒng)，用戶無法介入數控系統(tǒng)的核心。這類系統(tǒng)結構復雜、功能強大，價格昂貴。
“NC嵌入PC”結構的開放式數控系統(tǒng) 它由開放體系結構運動控制卡和PC機共同構成。這種運動控制卡通常選用高速DSP作為CPU，具有很強的運動控制和PLC控制能力。它本身就是一個數控系統(tǒng)，可以單獨使用。它開放的函數庫供用戶在WINDOWS平臺下自行開發(fā)構造所需的控制系統(tǒng)。因而這種開放結構運動控制卡被廣泛應用于制造業(yè)自動化控制各個領域。如美國Delta Tau公司用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC-NC數控系統(tǒng)、日本MAZAK公司用三菱電機的MELDASMAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC等。
SOFT型開放式數控系統(tǒng) 這是一種最新開放體系結構的數控系統(tǒng)。它提供給用戶最大的選擇和靈活性，它的CNC軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅動和外部I/O之間的標準化通用接口。就像計算機中可以安裝各種品牌的聲卡和相應的驅動程序一樣。用戶可以在WINDOWS NT平臺上，利用開放的CNC內核，開發(fā)所需的各種功能，構成各種類型的高性能數控系統(tǒng)，與前幾種數控系統(tǒng)相比，SOFT型開放式數控系統(tǒng)具有最高的性能價格比，因而最有生命力。通過軟件智能替代復雜的硬件，正在成為當代數控系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢。其典型產品有美國MDSI公司的Open CNC、德國Power Automation公司的PA8000 NT等。
3.1.3 趨勢之三：數控系統(tǒng)控制性能向智能化方向發(fā)展
智能化是21世紀制造技術發(fā)展的一個大方向。隨著人工智能在計算機領域的滲透和發(fā)展，數控系統(tǒng)引入了自適應控制、模糊系統(tǒng)和神經網絡的控制機理，不但具有自動編程、前饋控制、模糊控制、學習控制、自適應控制、工藝參數自動生成、三維刀具補償、運動參數動態(tài)補償等功能，而且人機界面極為友好，并具有故障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅動和智能化進給伺服裝置，能自動識別負載并自動優(yōu)化調整參數。
世界上正在進行研究的智能化切削加工系統(tǒng)很多，其中日本智能化數控裝置研究會針對鉆削的智能加工方案具有代表性。
3.1.4 趨勢之四：數控系統(tǒng)向網絡化方向發(fā)展
數控系統(tǒng)的網絡化，主要指數控系統(tǒng)與外部的其它控制系統(tǒng)或上位計算機進行網絡連接和網絡控制。數控系統(tǒng)一般首先面向生產現場和企業(yè)內部的局域網，然后再經由因特網通向企業(yè)外部，這就是所謂Internet/Intranet技術。
隨著網絡技術的成熟和發(fā)展，最近業(yè)界又提出了數字制造的概念。數字制造，又稱“e-制造”，是機械制造企業(yè)現代化的標志之一，也是國際先進機床制造商當今標準配置的供貨方式。隨著信息化技術的大量采用，越來越多的國內用戶在進口數控機床時要求具有遠程通訊服務等功能。
數控系統(tǒng)的網絡化進一步促進了柔性自動化制造技術的發(fā)展，現代柔性制造系統(tǒng)從點(數控單機、加工中心和數控復合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網絡集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展。柔性自動化技術以易于聯網和集成為目標，同時注重加強單元技術的開拓、完善，數控機床及其構成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯結，向信息集成方向發(fā)展，網絡系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。
3.1.5 趨勢之五：數控系統(tǒng)向高可靠性方向發(fā)展
隨著數控機床網絡化應用的日趨廣泛，數控系統(tǒng)的高可靠性已經成為數控系統(tǒng)制造商追求的目標。對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16小時內連續(xù)正常工作，無故障率在P(t)＝99%以上，則數控機床的平均無故障運行時間MTBF就必須大于3000小時。我們只對某一臺數控機床而言，如主機與數控系統(tǒng)的失效率之比為10:1(數控的可靠比主機高一個數量級)。此時數控系統(tǒng)的MTBF就要大于33333.3小時，而其中的數控裝置、主軸及驅動等的MTBF就必須大于10萬小時。如果對整條生產線而言，可靠性要求還要更高。
當前國外數控裝置的MTBF值已達6000小時以上，驅動裝置達30000小時以上，但是，可以看到距理想的目標還有差距。
3.1.6 趨勢之六：數控系統(tǒng)向復合化方向發(fā)展
在零件加工過程中有大量的無用時間消耗在工件搬運、上下料、安裝調整、換刀和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無用時間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上，因此，復合功能的機床成為近年來發(fā)展很快的機種。
柔性制造范疇的機床復合加工概念是指將工件一次裝夾后，機床便能按照數控加工程序，自動進行同一類工藝方法或不同類工藝方法的多工序加工，以完成一個復雜形狀零件的主要乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴孔等多種加工工序。
普通的數控系統(tǒng)軟件針對不同類型的機床使用不同的軟件版本，比如Siemens的810M系統(tǒng)和802D系統(tǒng)就有車床版本和銑床版本之分。復合化的要求促使數控系統(tǒng)功能的整合。目前，主流的數控系統(tǒng)開發(fā)商都能提供高性能的復合機床數控系統(tǒng)。
3.1.7 趨勢之七：數控系統(tǒng)向多軸聯動化方向發(fā)展
由于在加工自由曲面時，3軸聯動控制的機床無法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參予切削，進而對工件的加工質量造成破壞性影響，而5軸聯動控制對球頭銑刀的數控編程比較簡單，并且能使球頭銑刀在銑削3維曲面的過程中始終保持合理的切速，從而顯著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各大系統(tǒng)開發(fā)商不遺余力地開發(fā)5軸、6軸聯動數控系統(tǒng)，隨著5軸聯動數控系統(tǒng)和編程軟件的成熟和日益普及，5軸聯動控制的加工中心和數控銑床已經成為當前的一個開發(fā)熱點。
最近，國外主要的系統(tǒng)開發(fā)商在6軸聯動控制系統(tǒng)的研究上已經取得和很大進展，在6軸聯動加工中心上可以使用非旋轉刀具加工任意形狀的三維曲面，且切深可以很薄，但加工效率太低一時尚難實用化。
電子技術、信息技術、網絡技術、模糊控制技術的發(fā)展使新一代數控系統(tǒng)技術水平大大提高，促進了數控機床產業(yè)的蓬勃發(fā)展，也促進了現代制造技術的快速發(fā)展。數控機床性能在高速度、高精度、高可靠性和復合化、網絡化、智能化、柔性化、綠色化方面取得了長足的進步。現代制造業(yè)正在迎來一場新的技術革命。
3.2 交流伺服電機驅動的車床數控系統(tǒng)的選擇
?針對某臺或某幾臺機床，確定它的環(huán)境、溫度、濕度、灰塵、電源、光線，甚至有否鼠害等外界使用條件，這對選擇電氣系統(tǒng)的防護性能、抗干擾性能、自冷卻性能、空氣過濾性能等可提供正確的依據，使改造后的電氣系統(tǒng)有了可靠的使用保證。當然，電氣系統(tǒng)的選擇必須考慮成熟產品，性能合理、實用，有備件及維修支持，功能滿足當前和今后若干年內的發(fā)展要求等。當前生產數控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司的如德國SIEMENS公司、日本FANUC公司，；國內公司如中國珠峰公司、北京航天機床數控系統(tǒng)集團公司、華中數控公司和沈陽高檔數控國家工程研究中心。 選擇數控系統(tǒng)時主要是根據數控改造后機床要達到的各種精度、驅動電機的功率和用戶的要求。
考慮選擇的是三菱公司生產的交流伺服電機和伺服放大器，交流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數控系統(tǒng)。改造后機床要達快速定位X 軸 5m/min ,Z軸 10m/min最小移動單位X 軸0.0005mm , Z軸0.001m，選用了數控自動換刀刀架. 冷卻泵由數控系統(tǒng)控制，數控系統(tǒng)控制主軸正反轉。采用國際通用碼進行數控編程。
所以選用北京航天數控系統(tǒng)有限公司最新推出的CASNUC2100E數控系統(tǒng)。
3.3 北京航天數控系統(tǒng)有限公司最新推出的CASNUC2100E數控系統(tǒng)的性能
3.3.1 系統(tǒng)簡介
北京航天數控系統(tǒng)有限公司最新推出的CASNUC2100E數控系統(tǒng)是一個將PC104板嵌入到控制系統(tǒng)中的一體化的車床閉環(huán)數控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將控制系統(tǒng)、顯示面板、操作面板集于一體，結構緊湊，易于安裝；彩色LCD顯示，具有功能全面、性能可靠、連接簡單、性價比高等優(yōu)點。CASNUC 2100e數控系統(tǒng)適用于車床、銑床、鉆床、磨床等4軸以下的機械設備控制。
3.3.2 系統(tǒng)特點
1、一體化
CASNUC 2100e數控系統(tǒng)是一個將PC104 板嵌入到控制系統(tǒng)中的一體化車/銑床數控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)、顯示面板、操作面板集于一體，結構緊湊，易于安裝。
2 、高可靠性
系統(tǒng)采用的PC104 板具有板載表貼內存、低功耗、不使用風扇等特點，將PC104 板嵌入到控制系統(tǒng)中減少了很多連接環(huán)節(jié)，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，具有良好的電磁兼容、抗串擾能力設計。
3 、操作簡單
系統(tǒng)采用中文菜單，人性化界面；參數界面帶有中文提示，中文報警提示，操作面板按鍵中文標識，使其操作更加簡單、方便等。
3.3.3 系統(tǒng)性能
1、控制軸數：系統(tǒng)最多可控制4個軸（含主軸）。
2 、聯動軸數：系統(tǒng)聯動軸數：2~4 軸。
3 、主軸控制：可連接主軸伺服、變頻器。
4 、顯示部件： 彩色LCD 顯示
5 、鍵盤：微機兼容防水鍵盤（字母、數字）
6 、手輪/手持盒：一個與手持器共用的手輪接口和8 個輸入點的手持盒（選件）。
7 、輸入、輸出控制：20 路輸入點、11 路輸出點（標準配置）。最大32 路輸入點、最大 24 路輸出點（選件）。
8 、存儲器控制： 14MByte（標配）；最大可選配：256Mbit Byte
9 、通訊：RS-232 通訊最高速度115200 bit/s。
3.3.4 系統(tǒng)簡介
1.控制軸數：3 軸+主軸
2.同時控制軸數：3 軸
3.最小輸入增量：0.001mm
4.最大編程尺寸：0 至±99999.999mm
5.編程格式：ISO 標準格式，可絕對值，增量值編程
6.快速速率：24000mm/分
7.進給速度范圍：1～24000mm/分
8.加減速類型：直線型加減速
9.插補類型：（1）直線型插補（2）圓弧插補（自動過象限）
10.加工程序輸入：（1）鍵盤輸入；（2）RS232 接口
11.顯示方式：LCD 彩色顯示
12.輔助功能：（1）S：4 位數（2）M：2 位數（3）T：2 位數
13.用戶程序區(qū)容量：14M Byte，如果使用硬盤，容量可以擴大256Mbit Byte
14.進給倍率
15.手動連續(xù)進給、手輪進給、手動增量進給
16.程序編程：輸入、檢索、修改、拷貝、插入、刪除等功能
17.調用用戶子程序
18.手動返回機床參考點
19.單程序段執(zhí)行
20.跳選程序段執(zhí)行
21.存貯程序及參數斷電保護
22.程序復制、改名、刪除等功能
23.系統(tǒng)定時功能實時時鐘
24.
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