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CA6140 普通車床數(shù)控化改造 摘要 針對(duì)大多數(shù)企業(yè)，具有數(shù)量眾多和較長(zhǎng)使用壽命的普通機(jī)床，其加工 精度較低，不能批量生產(chǎn)，自動(dòng)化程度不高，適應(yīng)性差，但考慮投資成本， 產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性，又不能馬上被淘汰。 購(gòu)買新的數(shù)控機(jī)床是提高產(chǎn)品質(zhì)量效率的重要途徑，但成本高，許多 企業(yè)在短期內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，這嚴(yán)重阻礙企業(yè)設(shè)備更新的步伐。為此把普通車 床數(shù)控化改造，不失為一條投資少，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的的捷徑， 提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，在我國(guó)成為制造強(qiáng)國(guó)的進(jìn)程中占有一席之地。 本文以普通車床 CA6140 數(shù)控化改造為例，從普通車床改造的經(jīng)濟(jì)性 進(jìn)行評(píng)價(jià)入手，對(duì)數(shù)控技術(shù)在普通車床 CA6140 數(shù)控化改造應(yīng)用作了深入 研究和探索，形成相應(yīng)的技術(shù)方案及要點(diǎn)。主要內(nèi)容： (1) 對(duì)普通車床數(shù)控化改造經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)詳細(xì)論證，應(yīng)用模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)中綜 合評(píng)判原理，確定普通車床數(shù)控化改造方案； (2) 對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號(hào)選擇與裝配設(shè)計(jì)，支承方式的設(shè)計(jì)與軸承 型號(hào)的選擇，步進(jìn)電機(jī)的選擇等進(jìn)行詳細(xì)研究； (3) 對(duì)常用進(jìn)口數(shù)控裝置系統(tǒng)和國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝置系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)比較，根據(jù)所 改造的性能和精度指標(biāo)來(lái)選擇數(shù)控裝置系統(tǒng)和自動(dòng)刀架型號(hào)，提出選擇方 法；(4) 根據(jù)普通車床 CA6140 電氣控制系統(tǒng)和原理圖與普通車床數(shù)控化 改造的數(shù)控系統(tǒng)對(duì)比分析，形成普通車床數(shù)控化改造完整的電氣控制技術(shù) 方案；(5) 為保持切削螺紋的功能，仔細(xì)研究在主軸上脈沖發(fā)生器的選型， 脈沖發(fā)生器直接與主軸間的連接方法，形成相應(yīng)技術(shù)圖； (6) 給出普通車床數(shù)控化改造的安裝及調(diào)試方法。 關(guān)鍵詞：普通車床； 數(shù)控改造； 伺服系統(tǒng)； 數(shù)控系統(tǒng) I NC lathe CA6140 common Abstract Most enterprises still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass productino,low automatization and adaptability,but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprisesproductino. Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterptises because it cost much. Enterprises equipment updating step are counteracted severly. So General lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The economical efficiency of the reform and the application of NC technology in General purpose lathe CA6140s numerically controlled reforming is researched in this paper according to our practice of CA6140s numerically controlled reforming. And the reforming scheme and main points are formed. The main contents is: (1) The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the rerorming scheme is maked according to misty optimums synthesize adjudicate principle. (2) The ball screws type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motor of feeding system is designed. (3) The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming. (4) The complete electricity control diagram was drawn out according to the result of comparing CA6140s electricity control system. II (5) In order to protect the function of cutting a screw, we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a technique diagram. (6) Methods of installing and testing of general purpose lathes numerically controlled reforming were put forward. Key words: General purpose lathe; NC reform; Servo system; CNC system 0 目 錄 摘 要 Abstract 第 1 章 緒 論 ......................................................................................................................1 1.1 本論文的背景 ..................................................................................................1 1.2 本論文的主要內(nèi)容和意義 ..............................................................................2 1.3 本論文主要解決的問(wèn)題 ..................................................................................2 第 2 章 設(shè)計(jì)要求 ................................................................................................................3 2.1 總體設(shè)計(jì)方案要求 ..........................................................................................3 2.2 設(shè)計(jì)參數(shù) ..........................................................................................................4 2.3 其他要求 ..........................................................................................................5 第 3 章 車床機(jī)械部分的改造 ............................................................................................6 3.1 滾珠絲桿 ..........................................................................................................7 3.1.1 滾珠絲桿副的特點(diǎn) .......................................................................................8 3.1.2 縱向滾珠絲桿螺母副型號(hào)選擇與校核步驟 ...............................................9 3.1.3 橫向滾珠絲桿螺母副型號(hào)選擇與校核步驟 .............................................12 3.2 減速器箱體的設(shè)計(jì) ........................................................................................13 3.2.1 軸的計(jì)算 .....................................................................................................14 3.2.2 減速器箱體尺寸 .........................................................................................14 3.2.3 減速齒輪 .....................................................................................................15 3.3 軸承的選擇 ....................................................................................................16 3.4 軸承蓋的設(shè)計(jì) ................................................................................................18 3.5 滾珠絲杠軸承的選型與校核 ........................................................................19 第 4 章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 ..................................................................22 4.1 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì) ........................................................................22 4.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算與選型 ............................................................22 4.2.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 .....................................................................................22 4.2.2 縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號(hào)選擇雨校核步驟 .................................23 4.2.3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核步驟 .........................................26 4.2.4 齒輪有關(guān)計(jì)算 .............................................................................................28 第 5 章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 ................................................................................35 5.1 縱向步進(jìn)電機(jī)的選擇 ....................................................................................35 1 5.1.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 .....................................................................................35 5.1.2 步距角的選擇 .............................................................................................35 5.1.3 矩頻特性 .....................................................................................................36 5.1.4 據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性計(jì)算加減速時(shí)間校核的快速性 .........................39 5.2 橫向步進(jìn)電機(jī)的選擇 ....................................................................................40 5.2.1 步距角的確定 .............................................................................................40 5.2.2 矩頻特性 .....................................................................................................41 第 6 章 主軸交流伺服電機(jī) .............................................................................................43 6.1 主軸變速范圍 ................................................................................................43 6.2 初選主軸電機(jī)型號(hào) ........................................................................................43 6.3 主軸電機(jī)的校核 ............................................................................................43 第 7 章 微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ..............................................................................44 7.1 控制系統(tǒng)的功能要求 ....................................................................................44 7.2 硬件電路的組成 ............................................................................................44 7.3 設(shè)計(jì)說(shuō)明 ........................................................................................................45 第 8 章 車床改造的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) .........................................................................................47 8.1 滾珠絲桿 ........................................................................................................47 8.2 導(dǎo)軌副 ............................................................................................................47 8.3 安裝電動(dòng)卡盤 ................................................................................................47 8.4 脈沖發(fā)生器 ....................................................................................................47 第 9 章 安裝調(diào)試中應(yīng)注意的問(wèn)題 ..................................................................................48 9.1 滾珠絲杠螺母副的選擇 ................................................................................48 9.2 滾珠絲桿螺母副的調(diào)整 ................................................................................48 9.3 聯(lián)軸器的安裝 ................................................................................................48 9.4 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 ................................................................................48 參考文獻(xiàn) ..............................................................................................................................49 結(jié) 論 ..............................................................................................................................50 致 謝 ..............................................................................................................................51 1 第 1 章 緒論 1.1 課題背景 1946 年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分 代替腦力勞動(dòng)的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力 勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。6 年后， 即在 1952 年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國(guó)誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。 我國(guó)目前機(jī)床總量 380 余萬(wàn)臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 11.34 萬(wàn)臺(tái)，即 我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到 3。近 10 年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為 0.60.8 萬(wàn) 臺(tái)，年產(chǎn)值約為 18 億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6。我國(guó)機(jī)床役齡 10 年 以上的占 60以上；10 年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到 20，F(xiàn)MC/FMS 等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國(guó)和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占 60以上） ?？梢?jiàn)我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng) 的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來(lái)的產(chǎn) 品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長(zhǎng)，從而在國(guó)際、國(guó)內(nèi) 市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存 和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 在美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)， 生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè)永 恒的課題。我國(guó)的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行 業(yè)。在美國(guó)、日本、德國(guó)，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場(chǎng)，已 形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國(guó)，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)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(jī)床公司、Devlieg-Bullavd （得寶）服務(wù)集團(tuán)、US 設(shè)備公司等。美國(guó)得寶公司 已在中國(guó)開(kāi)辦公司。在日本，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝（Retrofitting）業(yè)。從 事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野 崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。 1.2 機(jī)床改造的內(nèi)容及意義 1.2.1 研究意義 2 企業(yè)要在當(dāng)前市場(chǎng)需求多變，競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地 更新和開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品，以最低價(jià)格、最好的質(zhì)量、最短的時(shí)間去滿足市場(chǎng)需求 的不斷變化。而普通機(jī)床已不適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)要求，數(shù)控機(jī)床則綜合 了數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，最適宜加工小批量、高 精度、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當(dāng)變更加工對(duì)象時(shí)只需要換零件加 工程序，無(wú)需對(duì)機(jī)床作任何調(diào)整，因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。 普通車床經(jīng)過(guò)多次大修后，其零部件相互連接尺寸變化較大，主要傳動(dòng)零 件幾經(jīng)更換和調(diào)整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達(dá)到大修驗(yàn)收 標(biāo)準(zhǔn)，而且費(fèi)用較高。因此合理選擇數(shù)控系統(tǒng)是改造得以成功的主要環(huán)節(jié)。 數(shù)控機(jī)床在機(jī)械加工行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，一方面 是全功能、高性能；另一方面是簡(jiǎn)單實(shí)用的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，具有自動(dòng)加工的 基本功能，操作維修方便。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開(kāi)環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)，功 率步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，無(wú)檢測(cè)反饋機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)的定位精度一般可達(dá)0.01 至 0.02mm，已能滿足 CA6140 車床改造后加工零件的精度要求。 1.2.2 主要研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線 (1) 縱向和橫向滾珠絲杠的選型及校核。 (2) 縱向和橫向步進(jìn)電機(jī)的選擇。 (3) 主軸交流伺服電機(jī)的選擇與校核。 (4) 其他元件的選擇。 1.3 機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造主要解決的問(wèn)題 (1) 恢復(fù)原功能，對(duì)機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)。 (2) NC 化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成 NC 機(jī)床、CNC 機(jī)床。 (3) 翻新，為提高精度、效率和自動(dòng)化程度，對(duì)機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對(duì) 機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對(duì)其不滿足生產(chǎn)要求的 CNC 系統(tǒng)以最新 CNC 進(jìn)行更新。 (4) 技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に?、新技術(shù)， 3 在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔 次的更新改造。 第 2 章 設(shè)計(jì)要求 2.1 總體方案設(shè)計(jì)要求 總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計(jì)算機(jī)的選擇，以及傳動(dòng)方式和 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。 (1) 普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功 能，還要求能暫停，進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制 系統(tǒng)。 (2) 車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下應(yīng) 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 (3) 根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng) 濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用 8 位微機(jī)。在 8 位微機(jī)中，MCS51 系列單片機(jī)具有集 成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、具有很高的性價(jià)比，因 此，可選 MCS51 系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 (4) 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中除了 CPU 外，還包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ) 器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O 接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤， 能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。 (5) 設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。 (6) 縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺 母副組成，其傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。 (7) 為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小，傳動(dòng)效率高的 滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng) 有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)。 (8) 采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。 2.2 設(shè)計(jì)參數(shù) 設(shè)計(jì)參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)。 4 由機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例 1 ，現(xiàn)列出 CA6140 臥式車床的技術(shù)數(shù)據(jù)： 輸入方式：增量值、絕對(duì)值通用 控制坐標(biāo)數(shù) 2 最大加工長(zhǎng)度：1000mm 代碼制:ISO 脈沖分配方式：逐點(diǎn)比較法 機(jī)床定位精度: 0.015mm 刀具補(bǔ)償量: 0mm99.99mm 名稱 技術(shù)參數(shù) 在床身上 400mm 工件最大直徑 在刀架上 210mm 頂尖間最大距離：650;900;1400;1900mm 宋制螺紋 mm 112(20 種) 加工螺紋范圍 英制螺紋 t/m 224(20 種) 模數(shù)螺紋 mm 0.253(11 種) 徑節(jié)螺紋 t/m 796(24 種) 最大通過(guò)直徑 48mm 孔錐度 莫氏 6# 主軸 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 24 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 101400r/min 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 12 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 141580r/min 縱向級(jí)數(shù) 64 進(jìn)給量 縱向范圍 0.0286.33mm/r 橫向級(jí)數(shù) 64 橫向范圍 0.0143.16mm/r 滑板行程 橫向 320mm 縱向 650;900;1400;1900mm 最大行程 140mm 刀架 最大回轉(zhuǎn)角 90 刀杠支承面至中心的距離 26mm 5 刀杠截面 BH 2525mm 頂尖套莫氏錐度 5# 尾座 橫向最大移動(dòng)量 10mm 外形尺寸 長(zhǎng)寬高 241810001267mm 圓 0.01mm 工作精度 圓柱度 200:0.02 平面度 0.02/300mm 表面粗糙度 Ra 1.63.2m 主電動(dòng)機(jī) 7.5kw 電動(dòng)機(jī)功率 總功率 7.84kw 最大加工直徑 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm 快進(jìn)速度 縱向 2.4m/min 橫向 1.2m/min 最大切削進(jìn)給速 縱向 0.5m/min 橫向 0.25m/min 溜板及刀架重力 縱向 800N 橫向 600N 脈沖當(dāng)量 縱向 0.01mm/脈沖 橫向 0.005mm/脈沖 進(jìn)給傳動(dòng)鏈間隙補(bǔ)償量 縱向 0.15mm 橫向 0.075mm 自動(dòng)升降速性能有 2.3 其它要求 (1) 原機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動(dòng)量 ，以降低成本 縮短改造周期。 (2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正 6 安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。 第 3 章 車床機(jī)械部分的改造 為了充分發(fā)揮數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)性能，保證改造后的車床在系統(tǒng)控制下重復(fù) 定位精度，由機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo) 2，微機(jī)進(jìn)給無(wú)爬行，使用壽命長(zhǎng)、外型 美觀，機(jī)械部分作了如下改動(dòng)。 (1) 床身 為了使改造后的機(jī)床有較高的開(kāi)動(dòng)率和精度保持性，除盡可能地減少電器 和機(jī)械故障的同時(shí)，應(yīng)充分考慮機(jī)床零件、部件的耐磨性，尤其是機(jī)床導(dǎo)軌的 耐磨性。增加耐磨性的方法有 1，增加導(dǎo)軌的表面強(qiáng)度如：淬火；2，降低摩擦 系數(shù) 等。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的床身等大件多采用普通鑄鐵。而導(dǎo)軌則采用淬硬的 合金鋼材料，其耐磨性比普通鑄鐵導(dǎo)軌高 5 至 10 倍。據(jù)此，在改造中利用舊床 身，采用淬火制成導(dǎo)軌，貼塑用螺釘和粘劑固定在鑄鐵床身上。 粘接前的導(dǎo)軌工作表面采用磨削加工，表面粗糙度 ，以提高粘接mRa8.0 強(qiáng)度。 (2) 主軸變速箱 選用數(shù)控系統(tǒng),主運(yùn)動(dòng)方式和傳統(tǒng)機(jī)床一樣都要求有十分寬廣的變速范圍 (116)來(lái)保證加工時(shí)選擇合理的切速，從而獲得較高的生產(chǎn)率和表面質(zhì)量,所以 要根據(jù)具體情況對(duì)主軸變速箱進(jìn)行改造。 (3) 拖板 拖板是數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對(duì)象，不論是點(diǎn)位控制還是連續(xù)控制，對(duì)被加工零 件的最后坐標(biāo)精度將受拖板運(yùn)動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。對(duì)于應(yīng)用步進(jìn) 電機(jī)作拖動(dòng)元件的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)尤其是這樣。因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令僅使拖板運(yùn) 動(dòng)而沒(méi)有位置檢測(cè)和信號(hào)反饋，故實(shí)際移動(dòng)值和系統(tǒng)指令值如果有差別就會(huì)造 成加工誤差。因此，除了拖板及其配件精度要求較高外，還應(yīng)采取以下措施來(lái) 7 滿足傳動(dòng)精度和靈敏度要求。在傳動(dòng)裝置的布局上采用減速齒輪箱來(lái)提高傳 動(dòng)扭矩和傳動(dòng)精度(分辨率為 0.01mm)。傳動(dòng)比計(jì)算公式為： 3-1 360pi 式中： 為步進(jìn)電機(jī)的步距角( 度)； 為絲杠螺距， mm； 為脈沖當(dāng)量，p 即要求的分辨率，mm。 在齒輪傳動(dòng)中，為提高正、反傳動(dòng)精度必須盡可能 的消除配對(duì)齒輪之間的傳動(dòng)間隙，其方法有兩種，柔性調(diào)整法和剛性調(diào)整法。 柔性調(diào)整法是指調(diào)整之后的齒輪側(cè)隙可以自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，在齒輪的齒厚和齒 距有差異的情況下，仍可始終保持無(wú)側(cè)隙嚙合。但將影響其傳動(dòng)平穩(wěn)性，而且 這種調(diào)整法的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳動(dòng)剛度低。剛性調(diào)整法是指調(diào)整之后齒輪側(cè)隙 不能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整方法，它要求嚴(yán)格控制齒輪的齒厚及齒距的誤 差，否則傳 動(dòng)的靈活性將受到影響。但用這種方法調(diào)整的齒輪傳動(dòng)有較好的傳動(dòng)剛度，而 且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。在設(shè)備改造中應(yīng)用的配對(duì)齒輪側(cè)隙方法是剛性調(diào)整法。采 用滾珠絲杠代替原滑動(dòng)絲杠，提高傳動(dòng)靈敏性和降低功率、步進(jìn)電機(jī)力矩?fù)p失。 (4) 自動(dòng)換刀裝置 為了滿足在一臺(tái)機(jī)床上一次裝夾完成多工序加工，可采用自動(dòng)刀架。自動(dòng) 刀架不但可代替普通車床手動(dòng)刀架，還可用作數(shù)控機(jī)床微機(jī)控制元件。刀架體 積小，重復(fù)定位精度高，適用于強(qiáng)力車削并安全可靠。 (5) 拖板箱 采用數(shù)控系統(tǒng)控制。拆除原拖板箱，利用此位置安裝新拖板箱，新拖板箱 除固定在滾珠絲杠的螺母上。掛輪箱、走刀箱拆除，在此兩個(gè)位置分別裝控制 螺紋加工的主軸脈沖編碼器和拖板軸向伺服元件功率步進(jìn)電機(jī)及減速箱。使改 造后的機(jī)床外型美觀、合理。改造后機(jī)床的啟動(dòng)、停機(jī)均由數(shù)控系統(tǒng)完成，故 拆除原機(jī)床操縱桿，變向杠、立軸等杠桿零件。 3.1 滾珠絲杠的選擇 3.1.1 滾珠絲杠副的特點(diǎn) 滾珠絲杠副具有與滾動(dòng)軸承相似的特征，與滑動(dòng)絲杠副或液壓缸傳動(dòng)相比， 由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 3，有以下主要特點(diǎn)： 8 (1) 傳動(dòng)效率高 滾珠絲杠的傳動(dòng)效率可達(dá) 85%98%，為滑動(dòng)絲杠副的 24 倍， 由于滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率高，對(duì)機(jī)械小型化，減少啟動(dòng)后的顫動(dòng)和滯后時(shí)間 以及節(jié)約能源等方面，都具有重要意義。 (2) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 滾珠絲杠副在工作過(guò)程中摩擦阻力小，靈敏度高，而且摩擦系 數(shù)幾乎與運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，啟動(dòng)摩擦力矩與運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力矩的差別很小。所以 滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)無(wú)顫動(dòng)，低速時(shí)無(wú)爬行。 (3) 傳動(dòng)可逆性 與滑動(dòng)絲杠副相比，滾動(dòng)絲杠副突出的特點(diǎn)是具有運(yùn)動(dòng)的可 逆性。正逆?zhèn)鲃?dòng)的效率幾乎可高達(dá) 98%。滾珠絲杠副具有運(yùn)動(dòng)的可逆性，但是 沒(méi)有象滑動(dòng)絲杠副那樣運(yùn)動(dòng)具有自鎖性。因此，在某些機(jī)構(gòu)中，特別是垂直升 降機(jī)構(gòu)中使用滾珠絲杠副時(shí)，必須設(shè)置防止逆轉(zhuǎn)的裝置。 (4) 可以預(yù)緊 通過(guò)對(duì)螺母施加預(yù)緊力能消除滾珠絲杠副的間隙，提高軸向接 觸剛度，但摩擦力矩卻增加不大。 (5) 定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲杠副具有傳動(dòng)效率高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)， 可以預(yù)緊等特點(diǎn)，所以滾珠絲杠副在工作過(guò)程中溫升較小，無(wú)爬行。并可消除 軸向間隙和對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)緊拉伸以補(bǔ)償熱膨脹，能獲得較高的定位精度和重復(fù) 定位精度。 (6) 同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時(shí)驅(qū)動(dòng)相同的部件和裝置時(shí)，由于 反應(yīng)靈敏，無(wú)阻滯，無(wú)滑移，其啟動(dòng)的同時(shí)性，運(yùn)行中的速度和位移等，都具 有準(zhǔn)確的一致性，這就是所謂同步性好。 (7) 使用壽命長(zhǎng) 滾珠絲杠和螺母的材料均為合金鋼，螺紋滾道經(jīng)過(guò)熱處maxjM 理，并淬硬至 ,經(jīng)磨削達(dá)到所需的精度和表面粗糙度。實(shí)踐證明，6258HRC 滾珠絲杠副的使用壽命比普通滑動(dòng)絲杠副高 56 倍。 (8) 使用可靠，潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，維修方便 與液壓傳動(dòng)相比，滾珠絲杠副在正常使 用條件下故障率低，維修保養(yǎng)也極為方便；通常只需進(jìn)行一般的潤(rùn)滑與防塵。 在特殊使用場(chǎng)合，如核反應(yīng)堆中的滾珠絲杠副，可在無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下正常工作。 3.1.2 縱向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核步驟 (1) 最大工作載荷計(jì)算： 滾珠絲杠上的工作載荷 是指滾珠絲杠副的在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲 )(NFm 9 杠所承受的軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動(dòng) 體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。由數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng) 系統(tǒng)整體優(yōu)化設(shè)計(jì) 4： 由于原普通 車床的縱向?qū)к壥侨切螌?dǎo)軌，則用公式 3-2 計(jì)算工作6140CA 載荷的大小。 3-2 )(GFvfKLFm 1) 車削抗力分析： 車削外圓時(shí)的切削抗力有 , , ，主切削力 與切削速度方向一致，垂xyzz 直向下，是計(jì)算車床主軸電機(jī)切削功率的主要依據(jù)。且深抗力 與縱向進(jìn)給方y(tǒng)F 向垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。進(jìn)給抗力 與進(jìn)給方向平行且相反x 指向，設(shè)計(jì)或校核進(jìn)給系統(tǒng)是要用它。 縱切外圓時(shí)，車床的主切削力 可以用下式計(jì)算：zF 3-3 )(5360NKVfCZFZZnyxpz 3-4 4.:201:yxz 得 , )(34NF)(y 因?yàn)檐嚨堆b夾在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進(jìn)給拖板 和導(dǎo)軌上，車削作業(yè)時(shí)作用在進(jìn)給拖板上的載荷 , 和 與車刀所受到的車lFvc 削抗力有對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，作用在進(jìn)給拖板上的載荷可以按下式求出： 拖板上的進(jìn)給方向載荷 )(5360NFxl 拖板上的垂直方向載荷 zv 拖板上的橫向載荷 )(214yc 因此，最大工作載荷： GFfKvlm )8.90536(0.35. )(6817N 10 對(duì)于三角形導(dǎo)軌 ， ,選 (因?yàn)槭琴N塑導(dǎo)軌)，15.K05.3.f 04.f G 是縱向、橫向溜板箱和刀架的重量，選縱向、橫向溜板箱的重量為 75kg,刀 架重量為 15kg。 (2) 最大動(dòng)載荷 的計(jì)算：C 滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動(dòng)載荷 選用，可用式 3-5 計(jì)算：a 3-5 mFfLC3 L 為工作壽命，單位為 , ，n 為絲杠轉(zhuǎn)速 ,r610610t )min(r ，v 為最大切削力條件下的進(jìn)給速度 ,可取最高進(jìn)給速度的01n )i( ， 為絲杠的基本導(dǎo)程，查資料得 ； 為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，320LL120mf 所以取 。 5.1mf min26in49rV縱 向 i75.9120 rLn縱 向縱 向 5.8310.2606nt 則： )(74.95.833 NFfCm 初選滾珠絲桿副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動(dòng)載荷 不得小于最大動(dòng)載荷aC 因此有 。Na1740 另外假如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)下工作并受載，那么還需考 慮其另一種失效形式-滾珠接觸面上的塑性變形。即要考慮滾珠絲杠的額定載荷 是否充分地超過(guò)了滾珠絲杠的工作載荷 ,一般使 。oaCmF32moaC 初選滾珠絲杠為：外循環(huán)，因?yàn)閮?nèi)循環(huán)較外循環(huán)絲杠貴，并且較難安裝。 考慮到簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)改裝，所以采用外循環(huán)。 因此初選滾珠絲杠的型號(hào)為 CD638-3.5-E 型。 主要參數(shù)為： 圈數(shù) 列數(shù) 3.5 1 ,912,63,8,763.40 mdLmDw 11 (3) 縱向滾珠絲杠的校核： 1) 傳動(dòng)效率計(jì)算：滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為 3-6 %92)012(91)( tgttg 2) 剛度驗(yàn)算： 滾珠絲杠副的軸向變形將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位 精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠與螺母 之間滾道的接觸變形，絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾 珠絲杠軸承的軸向接觸變形。 1.絲杠的拉壓變形量 ： 1 3-7AmELF1 = 2)5.31(06.28.790 = 0.0064mm 2.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 ：2 采用有預(yù)緊的方式： 3-832201.ZFDyjwm = 3 236.1458.7906.4. =0.0028mm 在這里： NFmyj 978.1031 53.416.4.DdZ 5. 絲杠的總變形量 。m0.92.08.0621 查表知 E 級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差為 0.015mm,故所選絲杠合格。 3) 壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作負(fù)載過(guò)大，將使絲杠失 去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為 kF 12 3-92LEIfFzk 式中：E 為絲杠材料彈性模量，對(duì)鋼 ，I 為截面慣性矩，Mpa4106. 對(duì)絲杠圓截面 (d1 為絲杠的底徑)，L 為絲杠的最大工作長(zhǎng)度64mdlI (mm) ; 為絲杠的支撐方式系數(shù)。zf 由 且 ， ， ,2LEIFk 0.zf paE4106.2446mdlI 為絲杠的長(zhǎng)度 L80 由于： 4 44 57903)93.(dlI 258106.21.3kF 49857N 所以絲杠很穩(wěn)定。 3.1.3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核步驟 (1) 型號(hào)選擇： 1) 最大工作載荷計(jì)算： 由于導(dǎo)向?yàn)橘N塑導(dǎo)軌，則： ， ， 為工作臺(tái)進(jìn)給方向載荷，4.1k05.flF , , ， ，t=15000h，NFl214v5360NFc3kgG6 最大工作載荷： )2(fkcvlm =1.4 2144+0.05(5360+2 1340+9.8 75)=3452.6N 2) 最大動(dòng)負(fù)載的計(jì)算： min10679.0inr14rv橫 ir.5220縱橫橫 Ln 54.9106.166t NFfCm8.23..493 所以初選滾珠絲杠型號(hào)為:CD506-3.5-E ，其基本參數(shù)為 ,mDw96.3 13 , , ，圈數(shù) 列數(shù) 3.5 112mL6d50 (2) 橫向滾珠絲杠的校核： 1) 傳動(dòng)效率 計(jì)算： %93)012()( tgtg 2) 剛度驗(yàn)算： 1.絲杠的拉壓變形量： mEALFm 026.5106.23.5241 2.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量： mZFDyjwm9.013.22 在這里： NFmyj 186.5 56.39.04.3wdZ 81569 絲杠的總變形量 m015.2.0.2.21 查表知 E 級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差為 0.015mm,故所選絲杠合格。 3.2 減速器箱體的設(shè)計(jì) 一般機(jī)床數(shù)控改造后，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的脈沖當(dāng)量是一不可改變的值，為 了實(shí)現(xiàn)多脈沖當(dāng)量的任意選擇，我們可在步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠間加一個(gè)減速機(jī) 構(gòu)，由數(shù)控加工技術(shù) 5,下面即是對(duì)減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程。 由任務(wù)書(shū)中可知縱向和橫向的脈沖當(dāng)量分別為： 縱向 0.01 0.008 0.005 橫向 0.005 0.004 0.0025 為減少減速機(jī)構(gòu)的體積設(shè)定中心距 5.672)(1mzA 其中 m=1.5 9021z 14 則以橫向脈沖計(jì)算為例 時(shí)，則脈沖當(dāng)量為 0.005mm 4521zi 時(shí)，則脈沖當(dāng)量為 0.004mm0 時(shí)，則脈沖當(dāng)量為 0.0025mm6321zi 因此縱向與橫向的減速機(jī)構(gòu)可以相同，為了降低成本將橫縱減速器結(jié)構(gòu)設(shè) 置為一樣。 3.2.1 軸的計(jì)算：（縱向輸入軸) 由公式： 3-10 335nPATd 可初選軸的直徑 由于 T=5N.m,由于采用的是 45 號(hào)鋼，正火硬度 為 170-217HBS,扭曲疲 勞極限 -1=124，軸材料的許用切應(yīng)力為 45MPa。 對(duì)于縱向輸入軸： 3-11 m2.84503Td輸 入 在這里，d 為軸的直徑(mm),T 為軸傳遞的轉(zhuǎn)矩（N.mm）, 為軸材料 的許用切應(yīng)力（MPa）,則縱向輸入軸軸徑取 18mm,輸出軸軸徑取 25mm。 對(duì)于橫向輸入軸： 3-12 m1245603Td輸 入 橫向輸入軸軸徑可取 18mm，輸出軸軸徑可取 25mm。 綜上可知：縱向與橫向可用一種減速機(jī)構(gòu)。軸材料為 45 號(hào)鋼，精度 5 級(jí)。 3.2.2 減速器箱體尺寸 下箱體壁厚 =0.025a+38 則 =8 上箱蓋壁厚 =0.03a+38 則 =81 1 地角螺釘數(shù)目 n 由于 a250mm n=4 15 地角螺釘直徑 取12036.adf 8Mdf 齒輪端面與內(nèi)箱壁最小距離 2= =8mm 3.2.3 減速齒輪 第一對(duì)齒 n45 與 n45 嚙合 計(jì)算公式為： ， ,dD6.1)(5.021DdL)5.1( 一般取 l=b， C=0.2b 但是不小于 10，R=0.5l，N=0.5mn mn 為模數(shù) ， 但是不小于 8mm。mn)45.2(0 圖 3-1 齒輪結(jié)構(gòu)圖 因此輸入軸齒輪 d=18mm， ， ， mdD8.26.1mD57.3.672 ， ， ， ，n=0.7mD9.42)8.57(.07530a5d0 5， ， ， 。 dl612c.4lr1.0 為了更好得使輸入軸與輸出軸嚙合且因 D1=28.8d=18 的原因會(huì)導(dǎo)致齒 輪的剛度下降，采用下圖 3-2 形狀，以下輸出軸與輸入軸均采用這種圖結(jié)構(gòu)。 16 則