普通機(jī)床的數(shù)控化改造設(shè)計畢業(yè)論文

1、<p>　　全日制普通本科生畢業(yè)論文 </p><p>　　普通機(jī)床的數(shù)控化改造設(shè)計</p><p>　　The general transformation of CNC machine tools design</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 前言6

2、</b></p><p>　　2 設(shè)計的內(nèi)容及任務(wù)7</p><p><b>　　3 總體方案7</b></p><p>　　3.1 數(shù)控系統(tǒng)的選型7</p><p>　　3.2 伺服系統(tǒng)的改造設(shè)計8</p><p>　　3.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計8</p>&

3、lt;p>　　3.4 自動回轉(zhuǎn)刀架的選擇設(shè)計9</p><p>　　3.5 編碼盤的選用和安裝9</p><p>　　3.6 電氣控制系統(tǒng)的改造設(shè)計10</p><p>　　3.7 液壓系統(tǒng)的清潔和維護(hù)10</p><p>　　4 數(shù)控系統(tǒng)的選擇10</p><p>　　5 機(jī)械本體部分的數(shù)控化改造與設(shè)

4、計計算12</p><p>　　5.1 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動方式及絲桿類型選擇12</p><p>　　5.1.1 傳動方式12</p><p>　　5.1.2 滾珠絲桿的選擇13</p><p>　　5.2 滾珠絲杠副精度等級確定14</p><p>　　5.3 滾珠絲杠的潤滑、防護(hù)、密封14</p>

5、;<p>　　5.4 機(jī)械本體改造和設(shè)計計算14</p><p>　　5.4.1 縱向機(jī)械傳動部分的數(shù)控化改造和設(shè)計計算14</p><p>　　5.4.2 滾珠絲杠設(shè)計計算15</p><p>　　5.4.3 滾珠絲杠的選型16</p><p>　　5.4.5 滾珠絲杠的驗算17</p><p&g

6、t;　　5.4.6 確定齒輪傳動比18</p><p>　　5.4.7 橫向機(jī)械傳動部分的數(shù)控化改造和設(shè)計計算18</p><p>　　5.4.8 切削力的計算19</p><p>　　5.4.9 齒輪間隙的調(diào)整環(huán)節(jié)19</p><p>　　5.5 滾珠絲杠的支撐與軸承選用20</p><p>　　5.5.1

7、滾珠絲杠支撐形式的選擇20</p><p>　　5.5.2 滾珠絲杠軸端的形式20</p><p>　　6 伺服系統(tǒng)的改造設(shè)計23</p><p>　　6.1 控制系統(tǒng)的選擇23</p><p>　　6.2 縱向步進(jìn)電機(jī)的計算與選擇23</p><p>　　6.2.1負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量計算24</p>

8、<p>　　6.2.2 各種工況下轉(zhuǎn)矩計算24</p><p>　　6.2.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇25</p><p>　　6.3 橫向步進(jìn)電動機(jī)的計算與選擇26</p><p>　　6.4 驅(qū)動器的選擇27</p><p>　　7 自動轉(zhuǎn)為刀架28</p><p>　　7.1 數(shù)控車床刀架的基本要

9、求29</p><p>　　7.2 車床自動轉(zhuǎn)位刀架結(jié)構(gòu)及工作原理29</p><p>　　7.3 刀架的安裝30</p><p>　　8 編碼器的選用和安裝30</p><p>　　8.1觀點編碼器的選用31</p><p>　　8.2 編碼器的安裝31</p><p>　　9 電

10、氣控制部分的改造設(shè)計32</p><p>　　9.1 電氣控制系統(tǒng)概述32</p><p>　　9.2 C6132車床電氣化控制系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計33</p><p>　　10 液壓系統(tǒng)的清潔與維護(hù)34</p><p>　　10.1清潔程度對液壓系統(tǒng)的影響34</p><p>　　10.2液壓系統(tǒng)清潔與維護(hù)

11、措施35</p><p>　　11 改造小結(jié)35</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p><b>　　致 謝36</b></p><p>　　C6132臥式車床的數(shù)控化改造</p><p>　　摘 要： 以C6132型普通機(jī)床為例，從機(jī)械和

12、電氣方面詳細(xì)闡述了數(shù)控化改造的方法。改造后的車床投入使用后運行穩(wěn)定，加工精度明顯提高，取得了極大的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 普通車床; 數(shù)控化改造；</p><p>　　C6132 horizontal lathe to numerical control reform</p><p>　　Abstract : to C6132 ordinary

13、machine type as an example, the mechanical and electrical is expounded in the reconstruction of numerical control method. After the transformation of the lathe of after put into use operation is stable, and the processin

14、g precision improved obviously, made great economic benefits. </p><p>　　Key word :ordinary lathe; Numerical control modification; </p><p><b>　　1 前言</b></p><p>　　目前我國機(jī)床主

15、要是臥式車床，與發(fā)達(dá)國家相比，型號陳舊，技術(shù)水平落后，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的發(fā)展。。采用先進(jìn)的數(shù)控車床，已成為當(dāng)今世界制造業(yè)的發(fā)展趨勢。鑒于國內(nèi)制造業(yè)中普通機(jī)床的占有率較高，提高車床數(shù)控化率有兩個可行的途徑，一是購置新的車床；二是把臥式車床改造成數(shù)控車床。根據(jù)國內(nèi)目前的經(jīng)濟(jì)狀況，花大量的資金更換全新的數(shù)控車床花費過高，給企業(yè)造成的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)較大，同時報廢大量的普通機(jī)床是一個很大的浪費。因此，各企業(yè)可根據(jù)自身的情況，酌情進(jìn)行數(shù)控化率的提高，可以購

16、置一批精度高、性能強(qiáng)的數(shù)控化車床，或數(shù)控化改造一批尚有一定精度的臥式車床。</p><p>　　C6132車床改造屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的改造，主要針對進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化改造，利用數(shù)控系統(tǒng)對縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，驅(qū)動元件采用步進(jìn)電動機(jī)，通過步進(jìn)電動機(jī)帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動。數(shù)控化改造后的機(jī)床，能對縱向和橫向進(jìn)給運動進(jìn)行數(shù)字控制，并要求達(dá)到縱向最小運動單位為0.01mm/脈沖，橫向最小運動單位0.005mm/脈沖，

17、刀架為自動轉(zhuǎn)位刀架，經(jīng)改裝后的機(jī)床能實現(xiàn)加工外圓、錐度螺紋、端面等的自動控制。數(shù)控化改造提高了原機(jī)床的生產(chǎn)速度，降低了勞動強(qiáng)度，同時縮短了生產(chǎn)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率。</p><p>　　數(shù)控化改造后具有如下幾個優(yōu)越性：</p><p>　　數(shù)控化改造提高了加工精度和生產(chǎn)率。</p><p>　　數(shù)控化改造提高了機(jī)床的性能和質(zhì)量，加工出原機(jī)床難以加工或者不能加

18、工的復(fù)雜軸類零件。</p><p>　　機(jī)床數(shù)控化改造后可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，效率可比原機(jī)床提高3倍。</p><p>　　機(jī)床數(shù)控化改造后擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自檢功能，更好地調(diào)節(jié)了機(jī)床加工狀態(tài)，還可以提示操作機(jī)床故障或編程錯誤等機(jī)床運行中出現(xiàn)的問題。</p><p>　　2 設(shè)計的內(nèi)容及任務(wù)</p><p>　　機(jī)床的

19、數(shù)控化改造主要應(yīng)用了現(xiàn)代成熟的數(shù)控技術(shù)和經(jīng)驗，以適應(yīng)生產(chǎn)的具體要求為目的，改變現(xiàn)有機(jī)床的結(jié)構(gòu)，給舊機(jī)床換上新部件、新裝置和新附件，提高現(xiàn)有機(jī)床的技術(shù)性指標(biāo)，使之全部或局部達(dá)到新數(shù)控機(jī)床的水平。</p><p>　　這次設(shè)計的任務(wù)是：數(shù)控化系統(tǒng)的選型，伺服系統(tǒng)、機(jī)械傳動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)數(shù)控化改造和液壓部分的維護(hù)以及繪制相關(guān)圖樣。要求改造車床具有一般數(shù)控車床的性能，精度要達(dá)到縱向最小單位為0.01mm/步，橫向最小運動

20、單位為0.005mm/步。設(shè)計內(nèi)容包括：數(shù)控系統(tǒng)的選型，伺服系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計，自動回轉(zhuǎn)刀架和編碼盤的選型與改裝，以及液壓系統(tǒng)的清潔與維護(hù)。數(shù)控系統(tǒng)方面，考慮到直流伺服電動機(jī)的價格昂貴，采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)，而在機(jī)械系統(tǒng)的改造方面，采用步進(jìn)電動機(jī)---減速齒輪---滾珠絲杠螺母副---小滑板的傳動方式。</p><p><b>　　3 總體方案</b><

21、;/p><p>　　臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造，可以顯著提高機(jī)床性能和減輕操作者勞動強(qiáng)度。而合理選擇數(shù)控系統(tǒng)和改造方案，可保證改造效果和降低成本。考慮具體的改造方案時，基本原則是在滿足使用要求的前提下，對機(jī)床的改動盡可能少，以降低成本。C6132車床總體改造方案為：增配車床數(shù)控系統(tǒng)，更換進(jìn)給運動的滑動絲桿傳動為滾珠絲桿傳動，采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動進(jìn)給運動，加裝編碼器，配置自動回轉(zhuǎn)刀架實現(xiàn)自動換刀。</p>&l

22、t;p>　　具體的改造主要從數(shù)控系統(tǒng)的選擇、伺服系統(tǒng)的改造設(shè)計，機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計、自動回轉(zhuǎn)刀架的選擇設(shè)計、編碼盤的選用和安裝、電氣系統(tǒng)的改造設(shè)計、液壓系統(tǒng)的清潔與維護(hù)等幾個方面來進(jìn)行，通過改造使其具有數(shù)控機(jī)床的一般特性。下面就從各個部分來具體闡述這次的設(shè)計方案。</p><p>　　3.1 數(shù)控系統(tǒng)的選型</p><p>　　在選擇數(shù)控系統(tǒng)的型號時，要考慮C6132機(jī)床適用于各類機(jī)

23、械工廠的單件、中小批量、生產(chǎn)使用，加工精度可達(dá)IT7級，且要求C6132車床加工復(fù)雜零件，所以數(shù)控系統(tǒng)選擇連續(xù)型數(shù)控系統(tǒng)，已滿足數(shù)控化改造后機(jī)床的定位、插補(bǔ)、循環(huán)加工和螺紋加工等功能。</p><p>　　國產(chǎn)機(jī)床如廣州數(shù)控設(shè)備廠的GSK980TA數(shù)控系統(tǒng)，其為兩軸聯(lián)動，功能比較齊全，性能穩(wěn)定，價格便宜，一般用于經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床。選擇數(shù)控系統(tǒng)時應(yīng)該盡量向同一個廠家的型號靠攏，這樣既有利于維修和管理，也有利于備件的

24、購買。在改造中可以考慮有類似特點的數(shù)控裝置。</p><p>　　3.2 伺服系統(tǒng)的改造設(shè)計</p><p>　　在普通機(jī)床的數(shù)控化改造系統(tǒng)中一般采用步進(jìn)電機(jī)和交流伺服交流電動機(jī)。交流伺服電動機(jī)調(diào)速方便，體積小，目前廣泛用于數(shù)控機(jī)床的傳動系統(tǒng)。與步進(jìn)電動機(jī)相比，其精度高、價格昂貴，考慮到改造本身是經(jīng)濟(jì)型改造，因此一般選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動裝置。步進(jìn)電機(jī)采用脈沖數(shù)字信號進(jìn)行改造，每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)步距誤

25、差自動變?yōu)榱?，能方便地實現(xiàn)調(diào)速以及定位，改變各相繞組的接通次序即可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，易于控制，且價格低廉，數(shù)控車床上大多使用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。在需要快速移動大距離的條件下，應(yīng)選擇轉(zhuǎn)動慣量小、運行頻率高、價格較低的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　　經(jīng)全面考慮，在C6132的數(shù)控化改造中，選用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)作為縱向和橫向的進(jìn)給驅(qū)動。理由是：該系統(tǒng)控制方便，由數(shù)控系統(tǒng)送出的步進(jìn)指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，是步進(jìn)電

26、機(jī)轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠服驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可以控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。該系統(tǒng)結(jié)果簡單，易維修，性價比高；考慮改造后的C6132機(jī)床的精度要求（數(shù)控化改造后縱向精度為0.01mm/不，橫向精度為0.005mm/步），加工精度要求不算太高，為簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，故選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　3.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計</p

27、><p>　　在機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計中，主要針對原車床的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化改造，主傳動系統(tǒng)中保留C6132車床的主軸機(jī)械部分和三相交流電動機(jī)YD132M--4B5TH，只是在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的軸上，加裝一個脈沖編碼器，實現(xiàn)螺紋的數(shù)控加工。</p><p>　　在進(jìn)給傳動系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)對縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，驅(qū)動元件采用步進(jìn)電機(jī)。進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)如圖1-1所示，縱向和橫向均采用步進(jìn)電動機(jī)--

28、減速齒輪--滾珠絲杠螺母副--床鞍（或中滑板）的傳動方式。分別在X軸和Z軸的步進(jìn)電機(jī)輸出軸端配置減速器，減速器由一對嚙合齒輪組成，通過減速器齒輪傳動，由滾珠絲杠副把動力傳給床鞍，從而帶動托板的移動。為實現(xiàn)機(jī)床所需的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿，同時為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。改裝時先拆除原機(jī)床的進(jìn)給箱、溜板箱、光桿和絲桿，再換上滾珠絲杠（安裝在原絲桿的部位）。在本設(shè)計中滾珠采用循環(huán)插管

29、式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式、精度等級為3級，型號為JCS--CDM系列滾珠絲桿副。此外，為提高傳動剛度和消除間隙，齒輪傳動要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖1-1 進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)</p><p>　　1——步進(jìn)電機(jī) 2——齒輪減速裝置 3——支承裝置</p><p>　　4——絲杠 5——床鞍 A、B——齒輪</p>

30、<p>　　3.4 自動回轉(zhuǎn)刀架的選擇設(shè)計</p><p>　　自動換刀裝置因數(shù)控機(jī)床的形式、工藝范圍和刀具的種類與數(shù)量的不同而具有不同的形式。目前常用的有自動回轉(zhuǎn)刀架和帶刀庫的自動換刀裝置。自動回轉(zhuǎn)刀架也稱為轉(zhuǎn)塔式刀架，它是數(shù)控機(jī)床上最常用的，也是最簡單的一種自動換刀裝置，通過回轉(zhuǎn)頭的旋轉(zhuǎn)分度定位來實現(xiàn)車床的自動換刀動作 。自動回轉(zhuǎn)刀架是由數(shù)控系統(tǒng)控制，效率高，工藝性能可靠。根據(jù)所加工零件的工藝要

31、求及機(jī)床控制方式，在本改造中，采用四方自動回轉(zhuǎn)刀架。</p><p>　　在C6132車床數(shù)控改造中，將原機(jī)床的普通手動回轉(zhuǎn)刀架替換成自動回轉(zhuǎn)刀架，拆除原刀架和小滑板，換上由常州宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的LD4—CK6132四工位自動回轉(zhuǎn)刀架。</p><p>　　3.5 編碼盤的選用和安裝</p><p>　　機(jī)床能否進(jìn)行螺紋加工是主軸部分?jǐn)?shù)控化改造的重要部分，所以

32、在原來車床上需加一個脈沖編碼器，才能實現(xiàn)自動加工螺紋的目的。</p><p>　　在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床上加工螺紋或絲桿時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，即編碼盤作為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動，發(fā)生主軸轉(zhuǎn)角位置變化信號，輸送到數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)按照所需加工的螺距進(jìn)行計算處理，從而控制機(jī)床縱向或橫向步進(jìn)電機(jī)，實現(xiàn)加工螺紋的目的。所以進(jìn)行C6132的數(shù)控化改造設(shè)計時，決定在主傳動系統(tǒng)中加裝一個光電碼盤。&l

33、t;/p><p>　　結(jié)合脈沖編碼器每轉(zhuǎn)進(jìn)給脈沖數(shù)（即分辨率）對螺紋的加工范圍，再結(jié)合環(huán)境特性，并根據(jù)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速不允許超過主軸脈沖發(fā)生器的最高須用轉(zhuǎn)速的原則，初步選擇長春三峰傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的常規(guī)型實心軸光電編碼器PIE系列編碼器。該系列編碼器經(jīng)濟(jì)適用，力矩小，多規(guī)矩，適應(yīng)多種數(shù)控設(shè)備其最高許用轉(zhuǎn)速為5000r/min，遠(yuǎn)大于車床主軸最高轉(zhuǎn)速2000r/min。</p><p>　　3.

34、6 電氣控制系統(tǒng)的改造設(shè)計</p><p>　　在電氣控制系統(tǒng)中的改造設(shè)計中，應(yīng)該遵循：在滿足控制要求的前提下，設(shè)計方案力求簡單、經(jīng)濟(jì)，不宜盲目追求高標(biāo)準(zhǔn)和高指標(biāo)，力求控制系統(tǒng)操作簡單、使用與維修方便。機(jī)床中的主軸電動機(jī)、冷卻泵電動機(jī)、刀架電動機(jī)等均需要系統(tǒng)自動控制。C6132車床改造后的電氣控制線路由電源電路、主電路、控制電路和CNC控制器等，主要增加的電器元件包括主軸編碼器、X/Z軸驅(qū)動器、電動刀架控制器以及

35、必要的控制開關(guān)、繼電器等。改造后拆除原電控箱，原位安裝改造后的電控柜，最后還需電氣、機(jī)修人員共同進(jìn)行通電調(diào)試。</p><p>　　數(shù)控機(jī)床中電氣控制系統(tǒng)除了對機(jī)床輔助運動和輔助動作控制外，還包括對保護(hù)開關(guān)、各種行程、極限開關(guān)的控制，以及在操作盤上所有按鍵、操作指示燈等的控制。</p><p>　　改造后的電氣控制系統(tǒng)，不僅保留了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的優(yōu)點，同時具有體積小、功能強(qiáng)、通用性和靈活性強(qiáng)

36、、使用維護(hù)方便等優(yōu)點。</p><p>　　3.7 液壓系統(tǒng)的清潔和維護(hù)</p><p>　　在車床數(shù)控化改造中一般不需要對機(jī)床原來的切削液系統(tǒng)進(jìn)行改造。用數(shù)控系統(tǒng)上的切削液接口與液壓系統(tǒng)的電路連接，通過CNC控制，實現(xiàn)切削液的自動開關(guān)。此外，液壓系統(tǒng)的清潔程度對液壓元件和液壓系統(tǒng)的平穩(wěn)、準(zhǔn)確運行有著非常重要的影響。</p><p>　　對C6132車床進(jìn)行數(shù)控化改

37、造后，還要仔細(xì)檢查液壓元件，如果發(fā)現(xiàn)又已經(jīng)磨損、老化的元件，如過濾器、空氣濾清器、密封圈等，則需要更換，確保液壓元件能正常工作，從而保證整個車床系統(tǒng)能正常運行，實現(xiàn)數(shù)控車床的性能和加工特點。在檢查、更換、維護(hù)后對液壓系統(tǒng)循環(huán)過濾，清洗整個系統(tǒng)。</p><p><b>　　4 數(shù)控系統(tǒng)的選擇</b></p><p>　　根據(jù)改造后的C6132機(jī)床精度要求（數(shù)控化改造后

38、縱向加工精度為0.01mm，橫向加工進(jìn)度為0.005mm），加工精度要求不算太高，所以可以選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　綜合考慮性價比，在充分調(diào)研比較的基礎(chǔ)上并根據(jù)改造的目的，本方案選用廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的GSK980TA車床數(shù)控系統(tǒng)，廣州數(shù)控設(shè)備廠同時生產(chǎn)與該數(shù)控系統(tǒng)相匹配的驅(qū)動器，從而有利于維修和管理。GSK980TA數(shù)控系統(tǒng)采用先進(jìn)的開放體系結(jié)構(gòu)，性價比高，屬于連續(xù)切削控制系統(tǒng)，具有

39、以下特點：</p><p>　　（1）、該系統(tǒng)采用16bit高速微處理器（CPU）和超大規(guī)模可編程門陣列（CPLD）進(jìn)行硬件插補(bǔ)，實現(xiàn)高速微米級控制。</p><p>　?。?）、全封閉式裝置，集成度高，整機(jī)工藝結(jié)構(gòu)合理，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。</p><p>　?。?）、直線型、指數(shù)型加減速方式，可配套步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)，應(yīng)用靈活。。</p>&l

40、t;p>　　（4）、可變電子齒輪比，應(yīng)用方便。</p><p>　?。?）、320*240點陣圖形式液晶顯示。</p><p>　　（6）、中文、英文菜單，界面友好，操作方便。</p><p>　　GSK980TA的車床數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表2-1</p><p>　　表2-1 GSK980TA的車床數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)</p>

41、<p>　　5 機(jī)械本體部分的數(shù)控化改造與設(shè)計計算</p><p>　　5.1 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動方式及絲桿類型選擇</p><p>　　5.1.1 傳動方式</p><p>　　機(jī)械部分傳動機(jī)構(gòu)示意圖如圖3-1所示和3-2所示。橫向和縱向均采用步進(jìn)電機(jī)—減速齒輪—滾珠絲桿螺母副—溜板的傳動方式。為實現(xiàn)機(jī)床所需要的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿，

42、同時為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。在本設(shè)計中采用循環(huán)插管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)柱管埋入式、精度等級為3級，型號為JSC—CDM系列滾珠絲桿副。</p><p>　　此外,為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)，齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。在X軸和Z軸的步進(jìn)電機(jī)輸出軸端配置減速器，減速器由一對嚙合齒輪組成，使減速器輸出軸通過連接套與滾珠絲桿直接相連，由滾珠絲桿副把

43、動力傳給工作臺帶動工作臺的移動。</p><p>　　圖1-2 橫向傳動機(jī)構(gòu)示意圖</p><p>　　1——步進(jìn)電機(jī) 2——齒輪減速裝置 3——支承裝置</p><p>　　4——絲杠 5——中滑板 A、B——齒輪</p><p>　　圖1-3 縱向傳動機(jī)構(gòu)示意圖</p><p>　　1——步進(jìn)電

44、機(jī) 2——齒輪減速裝置 3——支承裝置</p><p>　　4——絲杠 5——床鞍 A、B——齒輪</p><p>　　5.1.2 滾珠絲桿的選擇</p><p>　　關(guān)注絲杠副作為精密、高效的傳動元件在精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床得到廣泛應(yīng)用，在機(jī)械工業(yè)、交通運輸、航空航天、軍工產(chǎn)品等各個領(lǐng)域應(yīng)用得很普遍，可用作精密定位自動控制、動力傳遞和運動轉(zhuǎn)換。<

45、/p><p>　　1）、滾珠絲杠副傳動的特點。滾珠絲杠副傳動與滑動絲杠傳動相比有以下優(yōu)點：</p><p>　　傳動效率高。一般可達(dá)95%以上，是滑動絲杠傳動的2~4倍。</p><p>　　運動平穩(wěn)，摩擦力小，靈敏度高，低速無爬行。</p><p>　　可以預(yù)緊、消除絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度。</p><p>　　

46、定位精度和重復(fù)定位精度高。</p><p>　　使用壽命為普通滑動絲杠的4~10倍，甚至更高。</p><p>　　同步性好，用幾套相同的滾珠絲杠副同時傳動幾個相同的部件或裝置時，可獲得較好的同步性。</p><p>　　使用可靠，潤滑簡單，維修方便。</p><p>　　不自鎖，可逆向傳動，即螺母為主動，絲杠為被動。旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動。&

47、lt;/p><p>　　有專業(yè)廠生產(chǎn)，選用配套方便。</p><p>　　5.2 滾珠絲杠副精度等級確定</p><p>　　查參考文獻(xiàn)得出，在車床數(shù)控化改造中可選用3級精度的滾珠絲杠。表2-2為滾珠絲杠推薦應(yīng)用精度等級。</p><p>　　5.3 滾珠絲杠的潤滑、防護(hù)、密封</p><p>　　潤滑：滾珠絲杠必須潤滑。

48、滾動軸承用的各種潤滑劑原則上都要可以用。主軸的各種潤滑劑和潤滑方式都可以用于精密滾珠絲杠。一般情況下采用鋰基潤滑脂，在高速和需要嚴(yán)格控制升溫時，可用L—AN32全損耗系統(tǒng)用油、汽輪機(jī)油循環(huán)潤滑或噴霧潤滑。</p><p>　　防護(hù)和密封：絲杠防護(hù)套有伸縮套管式、折疊套管式和螺旋鋼帶保護(hù)套。后者有專業(yè)廠生產(chǎn)，應(yīng)用較廣，所以選用螺旋鋼帶保護(hù)套。</p><p>　　5.4 機(jī)械本體改造和設(shè)計計

49、算</p><p>　　5.4.1 縱向機(jī)械傳動部分的數(shù)控化改造和設(shè)計計算</p><p><b>　　已知條件：</b></p><p>　　工作臺重量（床鞍重量+中滑板重量+電動刀架）：G=800N</p><p>　　時間常數(shù)：T=25ms</p><p>　　滾珠絲桿基本導(dǎo)程：=6mm&l

50、t;/p><p>　　最大行程：S=650mm</p><p>　　脈沖當(dāng)量：δp=0.01mm/步</p><p>　　步角距：α=0.75./步</p><p>　　最大進(jìn)給速度：=2m/min</p><p>　　縱向最大進(jìn)給速度：=0.6m/min</p><p>　　1）切削力的計算。由《

51、機(jī)床設(shè)計手冊》可知，切削功率可由式（2-1）求的。其中，P查《機(jī)床說明書》，可知P=4.5kw；η一般為0.75~0.85，取η=0.8；K=0.96，則</p><p>　　=4.5╳0.8╳0.96kW=3.456kW</p><p>　　切削功率應(yīng)按在各種加工情況下，經(jīng)常遇到的最大切削力（或轉(zhuǎn)矩）和最大切削轉(zhuǎn)速（或轉(zhuǎn)速）來計算，即由式(2-3)計算。</p><p

52、>　　設(shè)按照最大切削速度來計算，取=100m/min，則主切削力由式（2-3）求得：</p><p>　　= N=N=2073.6N</p><p>　　由《機(jī)床設(shè)計手冊》可知，在外圓車削時：</p><p>　　=（0.1~0.55），=（0.15~0.65）</p><p>　　取縱向切削力分力=0.5，橫向切削力分力=0.6，則&

53、lt;/p><p>　　=0.5╳2073.6N=1032。80N</p><p>　　=0.6╳2073.6N=1244.16N</p><p>　　5.4.2 滾珠絲杠設(shè)計計算</p><p>　　滾珠絲杠的選型方案。</p><p>　　螺紋滾道型面的選擇：單圓弧型面、雙圓弧形面。</p><p&

54、gt;　　要求：經(jīng)濟(jì)、易調(diào)試、穩(wěn)定</p><p>　　方案：選用雙圓弧形面。</p><p>　　原因：雙圓弧形面接觸角不變，雙圓弧交接處尚有小空隙可容納一些贓物，這對滾珠絲杠有利而不致堵塞。</p><p>　　滾珠循環(huán)方式：內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)。</p><p>　　方案： 選用外循環(huán)。</p><p>　　原因：結(jié)構(gòu)

55、簡單、工藝性優(yōu)良、適合成批生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)實用，適用于重載荷傳動、高速驅(qū)動及精密定位系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊力得選擇：墊片式、螺紋式、齒差式。</p><p>　　要求：經(jīng)濟(jì)可靠、易拆裝、剛度高。</p><p>　　方案：選用雙螺母墊片式預(yù)緊。</p><p>　　原因：結(jié)構(gòu)簡單、裝卸方便、剛度高。

56、</p><p>　　滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，滾珠絲杠副的設(shè)計歸結(jié)為滾珠絲杠型號的選擇。</p><p>　　計算作用在絲杠上的最大動載荷C（N）。首先根據(jù)切削力和運動部件的重量引起的進(jìn)給牽引力，計算出絲杠的軸向載荷，再根據(jù)要求的壽命計算出滾珠絲杠副應(yīng)能承受的最大動載荷C。</p><p>　　工作負(fù)載。可根據(jù)《機(jī)床設(shè)計手冊》中的進(jìn)給牽引力的實驗公式計算，縱向為

57、三角形導(dǎo)軌，可由式（2-5）計算得到，則：</p><p>　　=[1.15╳1036.80+0.16╳（2073.6+800）]N=1652.096N</p><p>　　滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速?？捎上率接嬎?lt;/p><p>　　==r/min=50r/min</p><p><b>　　絲杠壽命由下式求得</b></p

58、><p><b>　　==萬r=45萬r</b></p><p>　　絲杠工作的最大動載荷C?？捎墒剑?-6）求得，其中，，則</p><p>　　5.4.3 滾珠絲杠的選型</p><p>　　根據(jù)C∠Ca的原則。是選取的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷。查《機(jī)械零件設(shè)計手冊》，由于導(dǎo)程為6mm，所以選取滾珠絲杠

59、的型號為CDM3206-5，工程直徑為32mm，其額定動載荷是26250N>7051.595N,故強(qiáng)度夠足夠。 CDM3206-5表示外循環(huán)插管式、雙螺母墊片式預(yù)緊、導(dǎo)程管埋入式的滾珠絲杠，其為右旋螺紋，載荷鋼球為5圈，精度為3級的定位滾珠絲杠副。具體參數(shù)見表2-3.</p><p>　　表2-3 CDM3206-5型滾珠絲杠具體參數(shù)</p><p>　　螺母安裝連接尺寸/mm&l

60、t;/p><p>　　5.4.5 滾珠絲杠的驗算</p><p>　　效率計算。根據(jù)《機(jī)械原理》，絲杠螺母副的傳動效率可由下式求得。其中，；tanγ=螺距/（╳工程直徑），γ=,則：</p><p><b>　　=0.953</b></p><p>　　剛度驗算。滾珠絲杠工作時受到軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用時，將引起基本導(dǎo)程P0的變

61、化。但由于滾珠絲杠受扭時引起的導(dǎo)程變化很小，可以忽略不計，所以工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量⊿P0可由式下求得，其中E=20.6╳Mpa（20.6╳106N/cm2）；A按絲杠螺紋底徑確定d，若d=2.71cm，A=╳cm2=5.765cm2；P0=6mm=0.6cm，則：</p><p>　　⊿P==cm=+8.34╳10-6cm</p><p>　　“+”用于拉伸，“-”用于壓縮時。<

62、/p><p>　　滾珠絲杠受轉(zhuǎn)矩引起的導(dǎo)程變化量⊿P/很小，可以忽略，即：⊿=⊿P0，所以導(dǎo)程變形總誤差⊿可由下式求得。查《機(jī)床說明書》可知，=650mm=65cm，則：</p><p>　　⊿= = ╳8.34╳10-6um=13.55um</p><p>　　有說明書可知，絲杠縱向有效行程為650mm，且絲杠精度等級為3級，查《機(jī)械零件設(shè)計手冊》，縱向行程允許的行程

63、變動量為16umCDM3206-5的⊿為13.55um<16um,故剛度足夠。</p><p>　　表2-4 有效行程Lu內(nèi)的目標(biāo)行程公差等級ep和行程變動量Vup （單位：um）</p><p>　　穩(wěn)定性校核。滾珠絲杠不失穩(wěn)的條件是：臨界負(fù)載荷≥。有式計算。其中，E=20.6╳Mpa（20.6╳10-4N/cm2）；L查《機(jī)械零件設(shè)計手冊》可得，L=1200mm=120cm；查

64、質(zhì)料得，=2（雙推-簡支）；I按絲杠的螺紋底徑確定，d=2.71cm，I=2.646，則：</p><p>　　=[(2╳3.142╳2.06╳107╳2.646)/(4╳1204)]N=18660.5N>>=6286.5N</p><p><b>　　故穩(wěn)定性沒有問題。</b></p><p>　　5.4.6 確定齒輪傳動比<

65、;/p><p>　　可由式計算。其中，=0.01mm/步；參考《實用微電機(jī)手冊》，初選=0.75.；P0為滾珠絲杠導(dǎo)程，P0=6mm，則：</p><p><b>　　i===1.25</b></p><p>　　當(dāng)傳動比i>1時，進(jìn)給傳動為減速傳動；當(dāng)i<1時，進(jìn)給傳動為升速傳動。因升速傳動會降低電動機(jī)傳遞的扭矩，而減速傳動會降低進(jìn)給

66、的快速運動速度，而且要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊湊，故一般傳動比設(shè)計范圍為：0.5>i>2,最好為1.0~2.0。</p><p>　　為簡化其結(jié)構(gòu)，均采用一級齒輪傳動，其從動齒輪孔與絲桿軸頸項配合，主動齒輪孔與步進(jìn)電機(jī)輸出軸相配合，步進(jìn)電機(jī)用固定板安裝在機(jī)床上。故可取齒輪齒數(shù)：=32，=40。</p><p>　　齒輪的材料采用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，精度等級取7級，前后軸承選用8042型

67、流動軸承。齒輪傳動時，效率ηi=0.98。</p><p>　　模數(shù)：查《機(jī)械設(shè)計手冊單行本 齒輪傳動》中表16.2.3，根據(jù)優(yōu)先選用第一系列的原則，因進(jìn)給運動齒輪受力不大，取模數(shù)m=2mm。</p><p>　　齒寬：根據(jù)經(jīng)驗，取齒寬(6~10)m，這里取10m，得齒寬b=20mm。</p><p><b>　　壓力角：α=20.</b>&

68、lt;/p><p>　　分度圓直徑由式求得，分別為：</p><p>　　d1=╳m=32╳2mm=64mm</p><p>　　d2=╳m=40╳2mm=80mm</p><p><b>　　中心距由式可得：</b></p><p><b>　　=mm= 76mm</b><

69、;/p><p>　　5.4.7 橫向機(jī)械傳動部分的數(shù)控化改造和設(shè)計計算</p><p>　　已知條件：工作臺重量（根據(jù)圖樣粗略計算）：G=400N</p><p>　　時間常數(shù)：T=25ms</p><p>　　滾珠絲杠基本導(dǎo)程：P0=4mm</p><p>　　刀架最大行程：S=240mm</p><

70、p>　　脈沖當(dāng)量：=0.005mm/步</p><p>　　步距角：α=0.75./步</p><p>　　快速進(jìn)給速度：=1m/min</p><p>　　最大進(jìn)給速度：=0.3m/min</p><p>　　5.4.8 切削力的計算</p><p>　　因為橫向進(jìn)給量為縱向的1/3~1/2，取1/2，則橫向主

71、切削力約為縱向的1/2。可由式求得：</p><p>　　=╳2073.6N=1036.8N</p><p>　　由《機(jī)床設(shè)計手冊》可知，橫切端面時，進(jìn)給力為Fx（N），背向力為Fy（N）,可由式求得：</p><p>　　=0.5╳1036.8N=518.4N</p><p>　　=0.6╳1036.8N=622.08N</p>

72、<p><b>　　、</b></p><p>　　5.4.9 齒輪間隙的調(diào)整環(huán)節(jié)</p><p>　　為了提高傳動精度和傳動平穩(wěn)性,避免齒輪再傳動中產(chǎn)生沖擊和噪聲，對于縱向、橫向齒輪都需要設(shè)計中心距的調(diào)整機(jī)構(gòu)。</p><p>　　由于主、從動齒輪在制造過程中不可避免的存在著加工誤差，為使這一對相互嚙合的齒輪在安裝后的中心距達(dá)到

73、標(biāo)準(zhǔn)中心距，采取如下措施。如圖2-5所示，主動輪安裝在步進(jìn)電機(jī)1的軸上，而步進(jìn)電機(jī)1的端部用螺釘與偏心輪聯(lián)接，偏心套2裝在箱體上，轉(zhuǎn)動偏心套（這時步進(jìn)電機(jī)連同主動輪4一起傳動），從而可以調(diào)整主、從動輪之間的中心距。</p><p>　　圖2-5 偏心軸套式結(jié)構(gòu)</p><p>　　1——步進(jìn)電機(jī) 2——偏心套</p><p>　　3——箱體 4——主動齒輪&l

74、t;/p><p>　　5.5 滾珠絲杠的支撐與軸承選用</p><p>　　5.5.1滾珠絲杠支撐形式的選擇</p><p>　　為了滿足高精度、高速度進(jìn)給系統(tǒng)的需要，除了應(yīng)用高精度、高速度的滾珠絲杠副外，還必須充分重視支撐的設(shè)計，注意選用軸向剛度高、摩擦力小、運行精度高的軸承。絲杠一端安裝兩個深溝球軸承或角接觸球軸承或圓錐滾子球軸承的稱為固定支承（G）。安裝一個深溝球

75、軸承或角接觸球軸承或圓錐滾子球軸承的稱為鉸支撐（J）；螺母相當(dāng)于固定支撐(G)。絲杠的支撐方式有兩端固定（G-G），一端固定、一端鉸支(G-J),一端固定、一端自由（G-Z），兩端鉸支（J-J），幾種。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)要獲得較高的傳動剛度，除了加強(qiáng)滾珠絲杠螺母本身的剛度之外，滾珠絲杠正確的安裝和精度。通常都適當(dāng)加大和機(jī)床結(jié)合部件的接觸面積，以提高螺母座的局部剛度和接觸強(qiáng)度，新設(shè)計的機(jī)床在工藝條件允許時，常常把螺母座或支撐座與機(jī)床本體做

76、成整體來增大剛度。</p><p>　　1)支承形式。采用一端固定、一端鉸支（G-J）的支承形式，其特點如下：</p><p>　　需要保持螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝?yán)щy。</p><p>　　壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速高。</p><p>　　絲杠有熱膨脹的余地。</p><p>　　適用于較長的臥式安裝絲杠。

77、</p><p>　　5.5.2 滾珠絲杠軸端的形式</p><p>　　滾珠絲杠采用一端固定、一端鉸支的支承形式。下面詳述這兩種支承方式的軸端形式及尺寸。</p><p>　　JE/T3162.4-1993規(guī)定了公稱直徑為16~63mm、負(fù)荷鋼球圈數(shù)不大于5圈的滾珠絲杠固定式軸端形式及尺寸，形式和尺寸分別見表2-14和圖2-6.</p><p&

78、gt;　　圖2-6 固定式軸端形式</p><p>　　表2-14 公稱直徑16~63mm的滾珠絲杠固定式軸端形式及尺寸</p><p>　　3)滾珠絲杠鉸接式軸端形式。滾珠絲杠鉸接式軸端形式和尺寸分別見表2-15和圖2-7所示。</p><p>　　圖2-7 鉸接式軸端形式</p><p>　　表2-15 滾珠絲杠鉸接式軸端尺寸&

79、lt;/p><p>　?。?）滾珠軸承的選擇。絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠重力外，一般無外載荷，對絲杠軸承主要要求軸向精度和剛度較高，摩擦力矩盡量小。</p><p>　　固定支承采用的有60o角接觸球軸承、雙向推力角接觸球軸承、圓錐滾子軸承、滾針軸承和推力軸承等，他們的特點及應(yīng)用見表2-16。</p><p>　　表2-16 絲杠常用軸承的特點及應(yīng)用&l

80、t;/p><p>　　根據(jù)表2-16軸承特點的比較，而鉸支端要求軸向剛度大，可選用深溝球軸承，固定支承可選用60o角接觸球軸承，其特點：</p><p>　　接觸角大、鋼球數(shù)多、承載能力強(qiáng)、剛度高。</p><p>　　既能承受軸向載荷，也能承受徑向載荷，支承結(jié)構(gòu)可以簡化。</p><p>　　軸承是按規(guī)定的預(yù)緊力供應(yīng)的，使用者不需要自己調(diào)整。&

81、lt;/p><p>　　軸承啟動摩擦力矩小，降低絲杠副驅(qū)動功率，提高進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度。</p><p>　　6 伺服系統(tǒng)的改造設(shè)計</p><p>　　6.1 控制系統(tǒng)的選擇</p><p>　　按控制方式分類，控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)與其他兩種控制系統(tǒng)相比有成本低、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，雖然開環(huán)系統(tǒng)的精度已

82、經(jīng)滿足不了數(shù)控機(jī)床日益提高的對控制功率、快速運動和加工精度的要求，但由于近年來發(fā)展了步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)，出現(xiàn)了專用的細(xì)分功率驅(qū)動模塊，步進(jìn)電機(jī)在低轉(zhuǎn)矩、高精度、速度中等的小型設(shè)備的驅(qū)動控制中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在微電子生產(chǎn)設(shè)備中充分的發(fā)揮了他的獨特優(yōu)勢。</p><p>　　開環(huán)控制系統(tǒng)主要是由驅(qū)動控制環(huán)節(jié)（環(huán)形分配器和加減速電路）、執(zhí)行元件（步進(jìn)電機(jī)）和機(jī)床（滾珠絲杠、工作臺等）三大部分組成。開環(huán)系統(tǒng)的指令

83、信號單方向傳送，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。其驅(qū)動電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，控制電路每變換一次指令信號，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個步角距，通過齒輪、絲杠傳動使工作臺移動一定距離，該距離成為脈沖當(dāng)量。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度取決于指令脈沖的頻率，轉(zhuǎn)角的大小由指令的脈沖數(shù)來決定。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)有以下特點：</p><p>　　能方便地實現(xiàn)調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)和啟停控制，啟停時間短。只

84、要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、及運轉(zhuǎn)方向，在一定的頻率范圍內(nèi)，改變各相繞組的接通次序即可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，各種運行方式都能實現(xiàn)任意的改變，且不會丟步。</p><p>　　輸出轉(zhuǎn)角的精度高，無積累誤差。步進(jìn)電機(jī)采用脈沖數(shù)字信號進(jìn)行控制，每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)步距，誤差自動為零。</p><p>　　轉(zhuǎn)動慣量小，響應(yīng)快。</p><p>　　輸出

85、角與輸入脈沖嚴(yán)格成比例，且在時間上同步。步進(jìn)電機(jī)的步距角和旋轉(zhuǎn)速度不受各種干擾因素，如電壓、電流、波形、溫度等的影響。</p><p><b>　　維修方便，壽命長。</b></p><p>　　6.2 縱向步進(jìn)電機(jī)的計算與選擇</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號控制的電動機(jī)。在負(fù)載能力及動態(tài)特性范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)將來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈

86、沖輸出，步進(jìn)電機(jī)的角位移與控制脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率成正比。因此，步進(jìn)電機(jī)已成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中最主要的一種伺服動力元件。</p><p>　　6.2.1負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量計算</p><p>　　折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量按下式估算：</p><p>　　式中： ——折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量（kg/cm2）</p><p>　　——齒

87、輪Z1的轉(zhuǎn)動慣量（kg/cm2）</p><p>　　——齒輪Z2的轉(zhuǎn)動慣量（kg/cm2）</p><p>　　——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（kg/cm2）</p><p><b>　　——估算參數(shù)</b></p><p>　　對于鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量按式估算,由式可得：</p><p>　　J

88、1=7.8╳╳╳2kg.cm2=2.617 kg.cm2</p><p>　　J2=7.8╳╳╳2 kg.cm2=6.390 kg.cm2</p><p>　　J3=7.8╳╳╳120 kg.cm2=9.815 kg.cm2</p><p>　　=kg.cm2=0.305 kg.cm2</p><p>　　=13.293 kg.cm2<

89、/p><p>　　6.2.2 各種工況下轉(zhuǎn)矩計算</p><p>　　1）負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩的計算。根據(jù)能量守恒，電動機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式可得：</p><p>　　N·m=1.352N·m</p><p>　　若不考慮啟動是運動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩由式，其中安全系數(shù)取0.3，求得：</p><p

90、>　　N·m =4.507 N·m</p><p>　　可由式求得，其中λ=0.866，則：</p><p>　　= = 5.204 N·m</p><p>　　2）快速空載啟動時所需轉(zhuǎn)矩T：因數(shù)控機(jī)床對動態(tài)性能要求較高，去頂電動機(jī)最大靜矩時，應(yīng)滿足快速空載啟動時所需轉(zhuǎn)矩T的要求。</p><p>　　當(dāng)

91、工作臺快速移動時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可由下式計算：</p><p>　　r/min =416.7 r/min</p><p>　　由式可求出，其中t=25ms=0.025s，則得：</p><p>　　= =2.319 N·m</p><p><b>　　由此可得：</b></p><p>　

92、　=ηoηi =0.105 N·m</p><p>　　同理可得，F(xiàn)0=/3= 2350.53 N，則：</p><p>　　= ηoηi =1.924 N·m</p><p><b>　　由式可得：</b></p><p><b>　　4.438 N·m</b><

93、;/p><p>　　3）快速移動時所需力矩。可由下式得：</p><p>　　= = =2.209 N·m</p><p>　　4）最大切削負(fù)載時所需力矩?？捎上率角蟮茫?lt;/p><p>　　=+ ηoi=2.838 N·m</p><p>　　從上面計算可以看出：快速空載啟動所需轉(zhuǎn)矩T、快速移動時所需

94、力矩T快和最大切削負(fù)載是所需力矩T切三種情況下，快速空載啟動時所需轉(zhuǎn)矩T最大，所以，以此項作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。</p><p>　　6.2.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇</p><p>　　1）步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率可由式求得：</p><p>　　= 1000╳2/60╳0.01 Hz= 3333.33 Hz</p><p>　　根據(jù)計算數(shù)據(jù)，最大

95、靜轉(zhuǎn)矩= 5.204 N·m，快速空載啟動時所需轉(zhuǎn)矩T=2.718 N·m，步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率=3333.33 Hz，選用步距角0.75o的步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選用110BF003-1.5/0.75型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　　2）110BF003-1.5/0.75型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)見表2-17所示。</p><p>　　表2-17 110BF

96、003-1.5/0.75型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)參數(shù)</p><p>　　6.3 橫向步進(jìn)電動機(jī)的計算與選擇</p><p>　?。?）負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量計算。折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量可由上式求得：</p><p>　　= [0.262+ +0.038]kg·cm2=1.298 kg·cm2</p><p>　?。?）各種工況下所需轉(zhuǎn)

97、矩的計算</p><p>　　1）負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇。根據(jù)能量守恒，可由上式求得：</p><p>　　==0.571N·m</p><p>　　若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩可由上式（其中安全系數(shù)取0.3）求得：</p><p>　　= 0.517/0.3 N·m =1.723 N·m&

98、lt;/p><p>　　對于三相六拍步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax可由式得：</p><p>　　=/0.866 N·m =1.99 N·m</p><p>　　2)快速空載啟動時所需轉(zhuǎn)矩T。因數(shù)控機(jī)床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩時，應(yīng)滿足快速空載啟動時所需轉(zhuǎn)矩T的要求?？山Y(jié)合上面用到的式子求得：</p><p>　

99、　T = ++ =0.54 N·m</p><p>　　3）快速移動時所需力矩。由式求得：</p><p>　　= =+To =0.198 N·m</p><p>　　4)最大切削負(fù)載時所需力矩。由式求得：</p><p>　　= [0.026+0.172+] N·m = 0.40 N·m</p

100、><p>　　從上面計算看：快速空載啟動時所需轉(zhuǎn)矩T、快速移動時所需力矩T快和最大切小禮服在時所需力矩T切三種工況下，快速空載啟動時所需轉(zhuǎn)矩T最大，所以，以此項作為初步選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的選型。步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率可由式求得：</p><p>　　= 1000╳1/60╳0.005 Hz = 3333.33 Hz</p>&

101、lt;p>　　根據(jù)計算數(shù)據(jù)，最大靜轉(zhuǎn)矩= 1.99 N·m，快速空載啟動時所需轉(zhuǎn)矩T=0.54 N·m，步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率=3333.33Hz，選用步距角0.75o的步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選用110BF003-1.5/0.75型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其主要參數(shù)見表2-17所示。</p><p>　　6.4 驅(qū)動器的選擇</p><p>　　由GSK980TA數(shù)控裝置

102、技術(shù)參數(shù)可知，GSK980TA數(shù)控系統(tǒng)適配的驅(qū)動裝置有：DF3A系列三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、DF3A系列三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、DF3A系列交流伺服。根據(jù)驅(qū)動器同時要和數(shù)控系統(tǒng)及X、Z軸電動機(jī)匹配的原則，X、Z軸選用的是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，所以在這里應(yīng)選用DF3A系列三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。</p><p>　　又因為在伺服系統(tǒng)的改造部分選用的是110BF003步進(jìn)電機(jī)作為X、Z軸的伺服電動機(jī)，所以選用DF3A

103、系列中的DF3A-06三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器作為連接系統(tǒng)和電動機(jī)的驅(qū)動器。</p><p>　　DF3A-06三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的特點</p><p>　　可靠性高。數(shù)字技術(shù)和單片機(jī)的應(yīng)用，使得驅(qū)動器線路簡單可靠；合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊防護(hù)性能好。</p><p>　　低速性能好。引入單片機(jī)進(jìn)行軟環(huán)分及矢量細(xì)分，實現(xiàn)1:1平滑細(xì)分及5、10、20

104、倍矢量細(xì)分，使得步進(jìn)電機(jī)低速運行平穩(wěn)，避免震蕩及失步。</p><p>　　高速性能優(yōu)。輸入信號頻率不大于250Hz，輸出電流頻率可達(dá)15kHz。</p><p>　　適用面廣。輸出電流3~10A可調(diào)，可驅(qū)動90BF、110BF、130BF步進(jìn)電機(jī)，輸出轉(zhuǎn)矩2~2.5 N·m。</p><p>　　DF3A系列三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器技術(shù)參數(shù)。見表2-18

105、。</p><p>　　表2-18 DF3A系列三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器技術(shù)參數(shù)</p><p><b>　　7 自動轉(zhuǎn)為刀架</b></p><p>　　自動換位刀架裝置因數(shù)控機(jī)床的形式、工藝范圍和刀具的種類與數(shù)量不同而具有不同形式。目前常用的自動轉(zhuǎn)位刀架和帶刀庫的自動換刀裝置是數(shù)控車床上最常用，也是最簡單的一種換刀裝置回轉(zhuǎn)刀架，通過回轉(zhuǎn)頭

106、的旋轉(zhuǎn)分度定位來實現(xiàn)車床的自動換刀動作。自動轉(zhuǎn)位刀架也稱為轉(zhuǎn)塔式刀架。</p><p>　　在C6132車床數(shù)控改造中，將原機(jī)床的普通手動轉(zhuǎn)位刀架替換成自動轉(zhuǎn)位刀架。自動轉(zhuǎn)位刀架由數(shù)控系統(tǒng)控制，效率高、工藝性能可靠。在這次改造中，根據(jù)所加工零件的工藝要求及機(jī)床控制方式，采用四方自動轉(zhuǎn)位刀架。</p><p>　　7.1 數(shù)控車床刀架的基本要求</p><p>　　數(shù)

107、控車床的刀架是機(jī)床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的結(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了機(jī)床的設(shè)計和制造水平，所以有如下要求：</p><p>　　轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確可靠，工作平穩(wěn)安全。</p><p>　　按最短線路就近選擇，轉(zhuǎn)位時間短。</p><p>　　應(yīng)當(dāng)滿足換刀時間短、刀具重復(fù)定位精度高、刀具儲存足夠、結(jié)構(gòu)緊湊及安全可靠等要求。</p>&

108、lt;p>　　防水、防屑，密封性能優(yōu)良。</p><p>　　夾緊剛性高，適宜重負(fù)荷切削，回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受機(jī)床在切削加工時的切削抗力。</p><p>　　7.2 車床自動轉(zhuǎn)位刀架結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　刀架結(jié)構(gòu)圖。本設(shè)計采用的是常州宏大機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠LD4-CK6132立式轉(zhuǎn)位刀架，其大致尺寸如圖2-8和表2-19

109、所示：。</p><p>　　圖2-8 自動轉(zhuǎn)位刀架尺寸圖</p><p>　　表2-19 立式轉(zhuǎn)位刀架參數(shù)</p><p>　　(2)自動轉(zhuǎn)位刀架工作原理。自動裝位刀架如圖2-9所示，為電動機(jī)經(jīng)彈簧安全離合器至蝸桿副帶動螺母旋轉(zhuǎn)，螺母抬起刀架使定位用的端齒盤的上盤與下盤分離，隨即帶動刀架旋轉(zhuǎn)到位。然后發(fā)出信號使電動機(jī)反轉(zhuǎn)鎖緊，完成刀架換位后，在進(jìn)行切削加工。一

110、般情況下，回轉(zhuǎn)刀架的換刀動作包括刀架抬起、刀架到位、刀架定位及壓緊。</p><p>　　其具體過程是：當(dāng)微機(jī)發(fā)出換刀信號后，刀架控制器中間繼電器動作，電動機(jī)正傳驅(qū)動蝸桿減速機(jī)構(gòu)，蝸桿升降機(jī)構(gòu)使上刀架上升，當(dāng)?shù)都苌仙揭欢ǜ叨葧r，離合轉(zhuǎn)盤起作用，帶動上刀體旋轉(zhuǎn)。刀架上端的發(fā)信盤中對應(yīng)每個刀位都安裝一個霍爾元件，當(dāng)上刀位旋轉(zhuǎn)到莫一定刀刀位時，該刀架上霍爾元件輸出高電平。在上刀體旋轉(zhuǎn)過程中，發(fā)信盤不斷向數(shù)控系統(tǒng)反饋刀

111、位信號。數(shù)控系統(tǒng)將反饋刀位信號與指令刀位信號相比較，當(dāng)兩信號相同時，說明上刀體以旋轉(zhuǎn)到所選刀位了。螺桿帶動上刀體下降，直至齒牙盤嚙合，完成定位，并通過渦輪蝸桿鎖緊螺母，使刀架緊固。想數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)為信號，切斷電源，電動機(jī)停機(jī)，完成選刀過程。</p><p><b>　　7.3 刀架的安裝</b></p><p>　　具體的安裝尺寸如圖2-10所示，該刀架安裝時，需要先

112、拆除原機(jī)床的小滑板和刀架，然后把電動刀架置于中滑板上。此時，刀架高度應(yīng)使車刀前面基本通過車床主軸軸心線，否則要在刀架下面加墊板，調(diào)整其高度。然后，卸掉刀架電動機(jī)風(fēng)扇罩殼，逆時針方向轉(zhuǎn)動電動機(jī)，使上刀架相當(dāng)于下刀體轉(zhuǎn)動45o左右。打裝螺孔，再用內(nèi)六角螺栓將刀架與中滑板固定。固定時應(yīng)注意，將刀架的兩側(cè)面分別于車床縱向和橫向的進(jìn)給方向平行，用墊板來調(diào)整其中心高度。使用前應(yīng)試運轉(zhuǎn)，運裝時要達(dá)到輕松靈活、無噪聲的要求。</p>&l

113、t;p>　　圖2-9 刀架的安裝尺寸</p><p>　　8 編碼器的選用和安裝</p><p>　　機(jī)床能否進(jìn)行螺紋加工是主軸部分?jǐn)?shù)控化改造的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)車床加工螺紋時，往往是通過交換齒輪組來完成的，加工不同的螺紋則需要不同的交換齒輪組，操作起來十分復(fù)雜。改造后的車床已拆掉原交換齒輪系統(tǒng)，將主軸箱與進(jìn)給箱之間的傳動鏈切斷，車床主運動和進(jìn)給運動聯(lián)系起來，光電編碼器就是起這種聯(lián)系作

114、用的。</p><p>　　在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床上加工螺紋或絲杠時，需要配置光電編碼器作為車床主軸位置信號的反饋元件。它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動，發(fā)出主軸轉(zhuǎn)位角位置變化信號輸送到數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)按照所需加工的螺距進(jìn)行計算處理，從而控制機(jī)床步進(jìn)電機(jī)，實現(xiàn)準(zhǔn)確加工螺紋的目的。所以C6132數(shù)控化改造設(shè)計中，主傳動系統(tǒng)中加裝一個觀點編碼器。</p><p>　　8.1觀點編碼器的選用</p>

115、<p>　　根據(jù)前面所選擇的車床數(shù)控系統(tǒng)GSK980TA的技術(shù)參數(shù)可知，主軸應(yīng)加裝1024P/r光電編碼器。結(jié)合脈沖編碼器對螺紋加工范圍、加工精度和車螺紋時步進(jìn)電機(jī)運行頻率及主軸轉(zhuǎn)速的影響，以及加工常見多頭螺紋的需要，脈沖編碼器每轉(zhuǎn)進(jìn)給脈沖應(yīng)盡可能取較大值，再結(jié)合環(huán)境特性，最后根據(jù)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速不允許超過主軸脈沖發(fā)生器的最高允許轉(zhuǎn)速的原則，選擇長春三峰傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的常規(guī)型實心軸光電編碼器PIE-1024-G05C編碼