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C6136數(shù)控車床的改造 內(nèi)容摘要 由于C6136數(shù)控車床已經(jīng)使用了3年多時(shí)間，其各部分傳動(dòng)零件和電器部分及加工零件所要求的精度c6136都無法達(dá)到，故我們要對(duì)C6136數(shù)控車床進(jìn)行升級(jí)改造使其達(dá)到生產(chǎn)精度要求和工藝要求。此次改造主要是對(duì)其系統(tǒng)，橫向和縱向絲杠的改動(dòng)及更換步進(jìn)電機(jī)等。 關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床改造、 滾珠絲杠 步進(jìn)電機(jī) 數(shù)控系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī) 緒 論 1.1 C6136數(shù)控車床的改造方案 1.2 原C6136數(shù)控車床由于使用年份比較長(zhǎng)，使用頻率比較多故其步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的磁力圈已經(jīng)磨損嚴(yán)重導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)丟步嚴(yán)重精度誤差嚴(yán)重。故我們要選型更換步進(jìn)電機(jī)。我們知道伺服電機(jī)的精度及工作性能要比步進(jìn)電機(jī)好的多，但是為了節(jié)約成本我們還是選用步進(jìn)電機(jī)。 1.3 原C6136的數(shù)控系統(tǒng)為GSK928TC現(xiàn)我們改換其升級(jí)版本GSK928TCA。GSK928TCA數(shù)控系統(tǒng)，采用32位高性能工業(yè)級(jí)CPU構(gòu)成控制核心，實(shí)現(xiàn)UM級(jí)精度運(yùn)動(dòng)控制，系統(tǒng)功能及參數(shù)比較多我這里就不一一說明了。主要是性能比較穩(wěn)定，界面顯示直觀簡(jiǎn)明，操作方便。 1.4 原數(shù)控車床的絲桿屬于滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)，主要缺點(diǎn)就是機(jī)械效率低，一般僅為30~60%，與改造后的精度相差很多。數(shù)控機(jī)床除了具有較高的定位精度外，還應(yīng)良好的動(dòng)態(tài)間應(yīng)特征，滾珠絲杠副的特點(diǎn)，傳動(dòng)效率高，一般達(dá)到90%以上，通過預(yù)緊力可消除絲杠間隙，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高，有可靠性，磨損小，使用壽命長(zhǎng)，但制造復(fù)雜，成本高。要使系統(tǒng)指令好，有能滿足精度要求，本次改造采用滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)。 1.5 原數(shù)控車床的主軸電機(jī)功率為3.7KW，在其工作中發(fā)現(xiàn)其功率完全不夠。車床的切削力不足不可以大刀量進(jìn)給，導(dǎo)致加工效率不高。故這里我們選用7.5.KW的主軸電機(jī)以提高數(shù)控車床的切削力和生產(chǎn)效率問題。μmμm 1.6 原C6136數(shù)控車床的變頻器我們用的是富凌變頻器3.7KW。其缺點(diǎn)就是工作性能不穩(wěn)定，沒有自動(dòng)電壓調(diào)整導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)速不穩(wěn)及主軸啟動(dòng)延時(shí)比較厲害等。故我們這次選用安邦信AM100-7.5KW變頻器 380V級(jí)其優(yōu)點(diǎn)就是1具有自動(dòng)電壓調(diào)整，自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行，自動(dòng)限流對(duì)運(yùn)行期間電流自己限制，防止頻率過流故障跳閘等優(yōu)點(diǎn)。 1.7 由于改動(dòng)了上述部件故這里我們要考慮步進(jìn)電動(dòng)機(jī)距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選擇，要達(dá)到0.001秒的分辨率的要求，縱﹑橫向均要用錯(cuò)齒調(diào)隙的齒輪做減速運(yùn)動(dòng)。 要求改造更新后的C6136數(shù)控車床的參數(shù)如下： 最大回轉(zhuǎn)直徑：360MM 電機(jī)功率：7.5KW 快速進(jìn)給：縱向2.4 m/min 橫向1.2m/min 切削速度：縱向0.5m/min 橫向0.25m/min 定位精度：0.015mm 運(yùn)動(dòng)部件重量：縱向800N 橫向600N 脈沖當(dāng)量：縱向0.01mm 橫向0.005m 一 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 1原C6136數(shù)控車床使用的是廣數(shù)GSK928TC數(shù)控車床系統(tǒng)，此系統(tǒng)由于使用時(shí)間比較長(zhǎng)其內(nèi)部的電器部分已經(jīng)老化，導(dǎo)致機(jī)床在工作中突然停機(jī)。嚴(yán)重影響加工質(zhì)量與人身安全?，F(xiàn)在我們更換成GSK928TC的升級(jí)版本GSK928TCA， GSK928TCA具有以下特點(diǎn)： 1 Z、X、Y三軸控制，兩軸聯(lián)動(dòng)，可控Y軸或伺服主軸，0.001mm（即μm級(jí)）插補(bǔ)精度，系統(tǒng)切削速度可達(dá)15000 mm/min；定位最高快速速度輸出可達(dá)30000 mm/min。 2 圓弧加工的最大半徑可達(dá)1000m。 3 加工性能好：系統(tǒng)輸出脈沖平穩(wěn)、均勻，加工后工件表面波紋均勻細(xì)膩、銜接處無頓痕?！　? 4 高效加工與靈活的實(shí)時(shí)檢測(cè)并行執(zhí)行處理機(jī)制；程序段間過渡不占時(shí)間；輔助指令與定位指令可以同步執(zhí)行；靈活應(yīng)用系統(tǒng)的語句編程功能，能有效提升綜合效率和安全性?！　　　　? 5 最大限度的安全措施：提供了多種有關(guān)安全方面的參數(shù)選項(xiàng)，確保安全使用；具有雙重軟限位保護(hù)功能等?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　? 具體參數(shù)這里不詳細(xì)說明了，主要選擇此系統(tǒng)是因?yàn)閮r(jià)格相對(duì)比較便宜，工作性能比較穩(wěn)定。還有就是其系統(tǒng)界面與GSK928TC基本一致方便操作人員快速熟悉掌握。 一 滾珠絲桿的選型與計(jì)算 1我們現(xiàn)在要計(jì)算一下縱向絲杠的進(jìn)給牽引力Fm： 縱向進(jìn)給的綜合型導(dǎo)軌 采用三角型或綜合導(dǎo)軌: Fm=kFx+ (Fz+G) （3.1） 式中:Fx,Fy,Fz, —切削分力(N): G-移動(dòng)部件的重量(N) —導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù),隨導(dǎo)軌形式而不同 K考慮顛復(fù)力距影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù). f=0.16 則Fm=1.15877.5+0.16(3510+800)=1698.75N 再計(jì)算一下最大動(dòng)負(fù)載C: C=fwFm （3.2） 選用滾珠絲杠副的直徑d.時(shí)必須保證在一定軸向負(fù)載 作用下.絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)后,在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕 現(xiàn)象.這個(gè)軸向負(fù)載的最大值稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng) 負(fù)載C可用C=fw.Fm （3.3） L= （3.4） n= （3.5） 式中滾珠絲杠導(dǎo)程L=6mm.可取最高進(jìn)給速度的(1/2~1/3)此處 VS=0.50.5=0.25m/min T: 使用壽命按15000h計(jì)算 L: 壽命以106轉(zhuǎn)為1單位 Fw: 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 fw:12~1.5 取fw=1.3 N==42r/min L===38小時(shí) C=.fw.Fm C=1.31698.75=7508.47 計(jì)算出以上數(shù)據(jù)后查一下<<精密機(jī)床配件系列>>-山東濟(jì)寧 選取滾珠絲杠公稱直徑為φ40選用的型號(hào)為 CDM4006-2.5作為縱向絲桿因?yàn)槠漕~定動(dòng)載荷15470N,所用強(qiáng)度足夠用。 2現(xiàn)在算下縱向絲桿的定位精度： 最大牽引力為1698.75N, 支承間距L=1700mm 絲杠螺母及軸承均采用預(yù)緊,預(yù)緊力為最大牽引力為1698.75N. 公式如下： ΔL= : Fm工作負(fù)載(N) L.:滾珠絲杠L=6mm E:材料彈性模數(shù)對(duì)鋼E=20.610(N/mm) F:滾珠絲杠面積mm F=1/4πD=1/4π40=1256m △L=0.394104mm 再算滾珠絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮的變形量δmm δ=0.39410-4L/6=0.011 對(duì)滾珠絲杠經(jīng)過預(yù)拉拉伸,拉壓剛度可提高4倍 其實(shí)際變量=1/40.011=2.7510mm =0.00756mm<定位精度0.015mm 計(jì)算值滿足改裝所需要求，顧縱向絲桿選擇型號(hào)CDM4006-2.5的絲桿。 2計(jì)算橫向絲杠進(jìn)給牽引力Fm： 橫向?qū)к墳檠辔残螌?dǎo)軌 其計(jì)算公式如下: Fm=KFx+ (Fz+2Fy+G) 式中K:考慮顛復(fù)力矩的影響實(shí)驗(yàn)系數(shù)K=1.4 :導(dǎo)軌上摩擦系數(shù)為=0.2,移動(dòng)部件重量G=600N Fm=1.4702+0.2(1755+2438.75+600)=1629.3N 3．計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載(N) n=.==31.25 L==28.125 C=1.21629.3=5865.48N 得出以上數(shù)據(jù)后 查<<精密機(jī)床配件系列>>叢書 山東濟(jì)寧 選用滾珠絲杠為CDM2504-2.5 其額定的動(dòng)載荷為6638 d=25mm =24.5mm 循環(huán)列數(shù)為12.52 Coa=16826 螺旋導(dǎo)程角 r==arctan r=2 選擇精度等級(jí)為3級(jí)。其數(shù)據(jù)滿足橫向絲桿要求。 得知以上數(shù)據(jù)后算出橫向絲桿的定位精度： 已知橫向進(jìn)給最大牽引力為2612.1N 支承間距 L=450mm 因絲杠長(zhǎng)度較短不需要預(yù)緊 滾珠絲杠的拉伸或壓縮變形量 △L===0.644810 滾珠絲杠經(jīng)過預(yù)拉伸 =1/40.007254=0.0018 =0.0054小于定位精度 定位精度為0.015mm 計(jì)算值滿足改裝要求，所以橫向絲桿我們選用CDM2504-2.5。 二 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型： 1 縱向步進(jìn)電機(jī)力矩計(jì)算 機(jī)床在不同工況下,其所需要的轉(zhuǎn)距不同,下面分別按各階段計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需要的力矩 =Mmax+Mf+M0 （3.8） 式中:M起-快速空載啟動(dòng)力矩(N.m) Mmax-折算到電機(jī)軸上的加速力矩(N.m) Mf-折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩(M.m) 起動(dòng)加速時(shí)間ta=30ms Mmax=.e=10 nmax= —傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Kg.cm2) ε—電機(jī)最大角加速度 nmax-電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 (r/min) —脈沖當(dāng)量 —步進(jìn)電機(jī)的步距角 nmax===500r/min Mmax==504.4N.cm 摩擦力矩Mf(N.m) Mf== F.—導(dǎo)軌摩擦力(N)了發(fā) G運(yùn)動(dòng)部件總重量(N) i —齒輪降速比按i=Z1/Z2計(jì)算 η—傳動(dòng)鏈總效率一般η=0.7~0.85 取0.8 Mf==12.22N.cm 附加摩擦力M0 M0= 式中 FP0-滾珠絲杠預(yù)加載荷一般取1/3F m Fm為進(jìn)給牽引力(N) L0—滾珠絲杠導(dǎo)程(cm) N—滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)傳動(dòng)效率94.24% M0== M0= ∴=Mmax+Mf+M0=504.4+12.22+10.28=526.9N.cm (2)快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 =M+M0 M===65.88N.cm (3)最大切削力負(fù)載時(shí)所需力矩 =M+M0+Mt Mt= 式中 Fmax-進(jìn)給方向上的切削力取Fx=877.5N Mt-折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩(N.cm) Mt=`=83.84(N.cm) =Mt+M0+Mt=65.88+10.28+83.84=160N.cm 從上面可以看出, ,,三種情況下,以快速空載時(shí) 所需力矩最大,以此項(xiàng)工作為選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù) 2 步進(jìn)電機(jī)的選擇： 對(duì)于工作方式為五相十拍的步進(jìn)電機(jī) Mjmax==526.9/0951=554.048 查表選用130BF001型直流步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)距為930N.cm，滿足改裝要求。 3橫向步進(jìn)電機(jī)力矩的計(jì)算： 機(jī)床在不同工況下其所需的轉(zhuǎn)距不同,下面分別按各段計(jì)算 1.快速空載起動(dòng)時(shí)所需的力矩M起 =Mmax+Mf+M0 Mmax=.e= nmax===500r/min Mmax=2.414=42.1N.cm 折算電機(jī)軸上的摩擦力力矩Mf Mf===4.58N.cm 附加摩擦力矩M0 M0=)=) ==11.07Ncm Mmax=42.1+4.58+11.07=57.75N.cm (3)快速進(jìn)給時(shí)所需力矩M快 =+M0 Mf==4.58N.cm M0=1/3Fm/2paini(1-n2)=11.07N.cm =4.58+11.07=15.65N.cm (4)最大切削負(fù)載所需力矩M切 =Mf+M0+Mt Mt===33.4N.cm Mf===17.96N.cm M切=33.4+17.96+11.07=62.43N.cm 上面計(jì)算可以看出,,和三種工況下, 以最大切削負(fù)載所需力矩作為選用電機(jī)的依據(jù)當(dāng) 步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)=/Mmax Mjmax=/=62.43/0.951=65.64 算出后查表選擇90BF002的步進(jìn)電機(jī)其最大靜轉(zhuǎn)距為400，滿足改裝要求。 （一） 主軸電動(dòng)機(jī)與變頻器的選擇； 1 原C6136數(shù)控車床的主軸電動(dòng)機(jī)功率為3.7KW不能滿足生產(chǎn)要求。我們現(xiàn)在把電動(dòng)機(jī)換成功率為7.5KW的YVP變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī) 。其主要特點(diǎn)： 1、起動(dòng)電流小，不用附加起動(dòng)設(shè)備； 2、低頻起動(dòng)時(shí)力矩對(duì)負(fù)載沖擊?。? 3、體積小、重量輕、安裝尺寸和Y系列相同； 4、在風(fēng)罩內(nèi)裝有軸流風(fēng)機(jī)，在各種轉(zhuǎn)速下，均有良好的冷卻效果； 5、應(yīng)用范圍廣，在50Hz以下可作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，在50Hz以上可作恒功率運(yùn)行； 6、調(diào)速平滑能在5～100Hz范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)速； 7、較電磁調(diào)速電機(jī)節(jié)能降耗，調(diào)速范圍廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用可靠，維修方便等優(yōu)點(diǎn)足夠滿足改裝要求，其價(jià)格為1230元在同型號(hào)中性價(jià)比比較高 。 3 變頻器我們用安邦信AM100-7.5KW變頻器其主要點(diǎn)前面以闡述這里就不詳細(xì)說明了，其連接圖如下： 此變頻器工作穩(wěn)定性比較好，滿足改裝要求。 三 C6136數(shù)控車床的系統(tǒng)硬件電路改造 由于原機(jī)床使用年限比較長(zhǎng)導(dǎo)致部分接線與電器元件老化，導(dǎo)致數(shù)控車床整體的問題嚴(yán)重比如指令輸入后系統(tǒng)沒反應(yīng)及有時(shí)工作狀態(tài)中突然停機(jī)等問題。所以我們此次要把系統(tǒng)硬件的電路更換掉我們選用的是GSK928TCA數(shù)控系統(tǒng)。拆下原來的數(shù)控系統(tǒng)，把數(shù)控系統(tǒng)的連接線與驅(qū)動(dòng)器的插口對(duì)應(yīng)接在一起其中PA口為輸入口，PA0與PA5是功能健其主要控制刀架﹑編程﹑空運(yùn)行﹑自動(dòng)與手動(dòng)把PA0與PA5連接到驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)的輸入接口。把PB0連接到驅(qū)動(dòng)器的對(duì)應(yīng)的輸出口其主要是控制啟動(dòng)﹑連續(xù)﹑單段﹑急停等。把PB5連接到驅(qū)動(dòng)器的對(duì)應(yīng)輸出口其主要功能是換刀。PB6主要是接光電編碼器的輸出零位接口。把PA0與PA7的輸出端接到驅(qū)動(dòng)器的輸入口其主要功能是控制Z軸和X軸的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。PC4是報(bào)警接口.PB4和PB7是控制數(shù)控車床的行程開關(guān)的。 四 主軸編碼器的選擇與安裝 編碼器我們選擇F58系列增量型編碼器-實(shí)心軸。 其主要特點(diǎn)是：自動(dòng)測(cè)量數(shù)控車床上的作角度和橫，縱坐標(biāo)的測(cè)量等 內(nèi)部采用ASIC器件，可靠性高﹑壽命長(zhǎng)﹑抗干擾能力強(qiáng)﹑不銹鋼主軸有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和防護(hù)性﹑金屬外殼更加牢固出線插頭有防水功能等。 安裝示意圖： 安裝注意事項(xiàng)： – 必須選擇柔性聯(lián)軸器 – 徑向、軸向、角度安裝偏差不允許超過 聯(lián)軸器允許范圍，以1/10最大值為佳。 – 徑向偏差建議不超過0.03mm – 軸向安裝時(shí)，必須注意驅(qū)動(dòng)軸軸向竄動(dòng) 不得出現(xiàn)牽引或碰撞編碼器軸的現(xiàn)象。 – 安裝不得出現(xiàn)任何機(jī)械敲打撞擊或加 工，若出現(xiàn)安裝困難， 切忌使用安裝螺孔作為同軸定位尺寸。 五 絲桿與導(dǎo)軌的自動(dòng)潤(rùn)滑 對(duì)于絲桿與導(dǎo)軌的自動(dòng)潤(rùn)滑我們保留原先C6136數(shù)控車床的單數(shù)顯電動(dòng)潤(rùn)滑泵。 六．改造小結(jié) 對(duì)數(shù)控車床的升級(jí)改造有多方面的問題：比如成本問題﹑數(shù)控車床的整體布局問題及數(shù)控車床的高精度問題及操作問題等。如今數(shù)控機(jī)床的發(fā)展日新月異，高速化﹑高精度化﹑功能復(fù)合化﹑控制智能化﹑高可靠性﹑開放化﹑網(wǎng)絡(luò)化﹑極端化﹑綠色化﹑并聯(lián)驅(qū)動(dòng)化。以上升級(jí)改造只是提高了C6136數(shù)控車床的控制精度﹑加工效率﹑以及加工精度的及表面加工質(zhì)量等方面。 七 參考文獻(xiàn) 1步進(jìn)的電機(jī)計(jì)算公式參考張勇主編，《車床數(shù)控化改造實(shí)例》，機(jī)械工業(yè)出版社 2 縱向與橫向絲桿計(jì)算公式胡曉東主編，《數(shù)控機(jī)床操作與維護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)》電子工業(yè)出版社 3 主軸電動(dòng)機(jī)和變頻器的選擇參考本身機(jī)械加工所需要的要求。 4 電路接線參考自身實(shí)際操作。 5 主軸編碼器參考劉永久主編，《數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修技術(shù)（FANUC系統(tǒng)）》，機(jī)械工業(yè)出版社 致　　謝 在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我不但鞏固了已學(xué)過的機(jī)械設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，而且看來很都資料學(xué)了很多東西，并從中學(xué)到了不少的知識(shí)，獲益匪淺。而此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成，除了自己本身的努力之外，我覺得更加離不開老師和同學(xué)們的幫助。我首先要感學(xué)校給予了我提升個(gè)人能力的這樣一個(gè)學(xué)習(xí)平臺(tái)；再者，我要真誠(chéng)地感謝所有老師，正是在他們精心的培養(yǎng)、指導(dǎo)、無私的關(guān)懷與幫助下，促使我順利完成了學(xué)業(yè)。在此誠(chéng)摯地道一聲：老師們，謝謝！