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題目四 C6132普通車床的數(shù)控改造設(shè)計(jì) 1. 設(shè)計(jì)目的：通過C6132普通車床的數(shù)控改造，使學(xué)生們掌握普通機(jī)床改造的方法，具有靈活運(yùn)用相關(guān)知識(shí)的能力； 2. 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求：C6132型車床是一種加工效率高，操作性能好，社會(huì)擁有量大的普通車床。本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì)C6132普通車床進(jìn)行數(shù)控改造。利用微型計(jì)算機(jī)對(duì)縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制．縱向脈沖當(dāng)量為0.01mm／脈沖．橫向脈沖當(dāng)量為0.005mm／脈沖，驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。 3. 設(shè)計(jì)成果： 1）電動(dòng)機(jī)的選取 2）相關(guān)硬件電路圖 普通車床數(shù)控改造——C6132總體設(shè)計(jì)及橫向進(jìn)給設(shè)計(jì) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 摘要 本次設(shè)計(jì)是對(duì)普通車床C6132的數(shù)控化改造。主要包括：主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造、進(jìn)給系統(tǒng)的改造、導(dǎo)軌和刀架的改造，以及控制系統(tǒng)改造。結(jié)果表明，改造后的車床具有自動(dòng)化程度高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且降低了成本，提高了原機(jī)床的使用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：車床 數(shù)控改造 滾珠絲杠 數(shù)控系統(tǒng) 一、總體方案擬定 數(shù)控車床主要用于軸類、盤類零件的加工, 能自動(dòng)完成外圍柱面、內(nèi)孔、錐面、圓弧面、螺紋等工序的粗細(xì)加工, 并能在圓柱面或端面上進(jìn)行銑槽、鉆孔、鉸孔等工作, 可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件在預(yù)先加工好定位基面后, 一次裝夾下完成從毛坯到成品的全部工序。因此能夠極大的提高生產(chǎn)率。C6132車床主要用于對(duì)小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工。 數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)改造要求： 在改造中應(yīng)盡可能保留原機(jī)床結(jié)構(gòu)。主傳動(dòng)系統(tǒng)中保留主軸箱內(nèi)滑移齒輪變速機(jī)構(gòu)，取消原操作手柄，實(shí)現(xiàn)主軸的正反轉(zhuǎn)及停止，改由數(shù)控系統(tǒng)直接控制主電機(jī)，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出M03指令后，主電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸正轉(zhuǎn)?？v、橫進(jìn)給系統(tǒng)均采用交流伺服電動(dòng)機(jī)。用滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)代替普通的滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu),具有摩擦力小,運(yùn)動(dòng)靈敏, 無爬行現(xiàn)象, 也可以進(jìn)行預(yù)緊, 以實(shí)現(xiàn)無間隙傳動(dòng),傳動(dòng)剛度好,反向時(shí)無空程死區(qū)等特點(diǎn)?？商岣邆鲃?dòng)精度。導(dǎo)軌需沿用原機(jī)床的導(dǎo)軌，但因起精度較低，不適合數(shù)控機(jī)床。因而在原導(dǎo)軌上粘接四氟乙烯軟帶，使其有良好的耐摩性和較小的摩擦阻力，能預(yù)防爬行并具有自潤(rùn)滑性。將原刀架和小托板拆除，將車床刀架換為四工位電動(dòng)刀架，將刀架調(diào)整好高度安裝在中拖板上，由數(shù)控系統(tǒng)直接控制，減少輔助時(shí)間，提高效率。為保證加工螺紋時(shí)縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，需要在主軸尾部安裝主軸脈沖發(fā)生器。主軸脈沖發(fā)生器與主軸同步旋轉(zhuǎn)，同時(shí)發(fā)出與主軸轉(zhuǎn)角相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，使數(shù)控系統(tǒng)控制刀架的縱向移動(dòng)量。 二、主要改造內(nèi)容 （一）、伺服控制系統(tǒng)的選擇 因要求改造后的車床為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。所以在保證具有一定加工精度的前提下，從改造成本考慮。應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本?？刹梢圆竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置的開環(huán)系統(tǒng)，但是考慮到加工精度的要求，應(yīng)采用以伺服電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)的環(huán)路短，剛性好，較容易獲得較高的精度和速度，目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都采用半閉環(huán)系統(tǒng)，而隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，伺服電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)中就把電機(jī)和檢測(cè)元件直接安裝在一起，形成成套的產(chǎn)品，極大的方便了用戶，省去了安裝調(diào)整誤差。（半閉環(huán)控制系統(tǒng)如下圖1所示） 檢測(cè)器 執(zhí)行件 伺服放大器 伺服電機(jī) 減速箱 脈沖指令 比較線路 圖1 半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 （二）、機(jī)械部分改造 1.床頭箱部分 保留主軸箱內(nèi)的滑移齒輪，取消操作手柄。將原床身的掛輪、進(jìn)給箱及內(nèi)部傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)去除，其余部分保持不變。在該處安裝縱向伺服電動(dòng)機(jī)與齒輪減速箱總成。絲杠、光杠和操作桿（“三桿”）拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠。滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座原來裝軸承座的部分。 并在主軸箱后端安裝光電編碼器。編碼器的安裝方式有兩種，一種是安裝，另一種是異軸安裝。因?yàn)樵瓩C(jī)床主動(dòng)掛輪與主軸傳動(dòng)比為1:1，所以可將編碼器安裝于原機(jī)床主動(dòng)掛輪處。這種安裝方式較簡(jiǎn)單，易安裝。 2.進(jìn)給系統(tǒng)（橫向）的改造 將車床溜板箱拆除，在原處安裝滾珠絲杠螺母座，絲杠螺母固定在其上。將橫溜板中的普通絲杠、螺母拆除，在該處安裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副， 伺服電機(jī)與絲杠間采用一級(jí)減速器聯(lián)接, 以縮小傳動(dòng)鏈, 提高系統(tǒng)剛度, 并減少傳動(dòng)鏈誤差。橫向伺服電動(dòng)機(jī)與齒輪減速器總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠通過膜片聯(lián)軸器相連。膜片聯(lián)軸器的特點(diǎn)是易平衡，不需潤(rùn)滑。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有一定的補(bǔ)償性能和緩沖性能。因其尺寸較大，故可將其放在減速箱內(nèi)。 橫向滾珠絲杠選擇南京工藝裝備公司生產(chǎn)的FFZL型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副。型號(hào)為FFZL2505-3【1】,其公稱直徑d0 =25mm、基本導(dǎo)程L0=5mm 。滾珠絲杠的支撐方式選用兩端固定式，其傳動(dòng)精度高，并有較好的剛度。適合于距離不長(zhǎng)的場(chǎng)合。滾珠絲杠需要預(yù)緊，其大小約為軸向力的三分之一。 減速箱齒輪傳動(dòng)初定傳動(dòng)比為2，可取Z1=24 則Z2=48,齒寬B=16.在設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，為了提高傳動(dòng)精度，必須消除齒輪副的間隙。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)由于經(jīng)常處于變向狀態(tài),反向時(shí)如果驅(qū)動(dòng)鏈中的齒輪等傳動(dòng)副存在間隔,就會(huì)使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的反向滯后于指令信號(hào),從而影響其傳動(dòng)精度,因此24/48這一對(duì)齒輪還必須采取措施消除齒輪傳動(dòng)中的間隙,以提高數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度。齒輪間隙的調(diào)整采用圓柱薄片齒輪可調(diào)拉簧錯(cuò)齒法來實(shí)現(xiàn),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。 　 圖2 齒輪間隙的調(diào)整結(jié)構(gòu)圖 圖中,在2 個(gè)薄片齒輪1 和2 上裝有螺紋的凸耳4 和8 ,彈簧的一段鉤在凸耳4上,另一端鉤在螺釘5 上。彈簧3 所受的張力大小可用螺母6 來調(diào)節(jié)螺釘5 的伸出長(zhǎng)度,調(diào)整好后再用螺母7 鎖緊。 在選擇伺服電機(jī)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：a、慣量匹配，即0.25≤Jd/Jm≥1， 其中Jd為折算到到電動(dòng)機(jī)的負(fù)載慣量，Jm為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。b、轉(zhuǎn)矩伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩必須滿足實(shí)際需要，但是不需要留有過多的余量，因?yàn)橐话闱闆r下，其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3 倍。c、短時(shí)間特性(加減速轉(zhuǎn)矩)，工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電動(dòng)機(jī)加減速轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)以上原則，取電動(dòng)機(jī)型號(hào)為1FT5066-0A01△【2】 3.導(dǎo)軌及刀架改造 因原機(jī)床的導(dǎo)軌精度不能滿足數(shù)控機(jī)床的要求。但改造的原則是盡量保持原機(jī)床的部件。故只能將導(dǎo)軌加以利用。導(dǎo)軌表面貼塑的方法可使得導(dǎo)軌精度提高。因此可在導(dǎo)軌上加四氟乙烯軟帶。其特點(diǎn)是，摩擦系數(shù)低，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可吸收震動(dòng)，維修方便，損壞后更換容易。在本次設(shè)計(jì)中采用美國霞板公司研制的德爾賽塑料導(dǎo)軌軟帶。 數(shù)控車床上使用的回轉(zhuǎn)刀架是一種最簡(jiǎn)單的自動(dòng)換刀裝置。根據(jù)加工對(duì)象，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式。回轉(zhuǎn)刀架上分別安裝四把、六把或更多刀具，并按數(shù)控裝置的指令換刀。 回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工時(shí)切削抗力和減少刀架在切削力作用下的位移變形，提高加工精度。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，對(duì)于數(shù)控車床來說，加工過程中刀架部要進(jìn)行人工調(diào)整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每次轉(zhuǎn)位之后具有高的重復(fù)定位精度（一般位0.001～0.005mm） 考慮經(jīng)濟(jì)性以及利于普通車床數(shù)控化改造，本設(shè)計(jì)采用四方回轉(zhuǎn)刀架。并設(shè)計(jì)成螺旋升降式四方回轉(zhuǎn)刀架。 (三)、數(shù)控系統(tǒng)的選擇 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)(CNC系統(tǒng))是數(shù)控機(jī)床的控制核心，隨著機(jī)床數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，提高了數(shù)控機(jī)床的整體性能，尤其是它的加工精度和生產(chǎn)效率提高得更為顯著，現(xiàn)在，數(shù)控機(jī)床已在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 目前市場(chǎng)上流行的數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC、西門子、華中數(shù)控系統(tǒng)等，本設(shè)計(jì)為經(jīng)濟(jì)行數(shù)控車床，只要滿足設(shè)計(jì)要求功能及精度即可。通過比較，國內(nèi)的華中數(shù)控系統(tǒng)不僅能達(dá)到要求，并且價(jià)格便宜，是數(shù)控機(jī)床的改造的首選系統(tǒng)，根據(jù)功能要求，選擇華中HNC-21TF型數(shù)控系統(tǒng)。 三、 結(jié)論 經(jīng)過改造后的機(jī)床如下圖所示，經(jīng)過理論和實(shí)踐證明改造后的車床不僅工藝范圍廣而且具有較高的自動(dòng)化程度和精度，其理論定位精度可達(dá)到X軸0.020 mm，Z軸0.035 mm，重復(fù)定位精度X軸0.015 mm，Z軸0.020 mm。因此對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造具有較高的經(jīng)濟(jì)性，提高了原機(jī)床的使用價(jià)值，符合我國國情。 圖3 改造后車床外觀圖 參考文獻(xiàn) [1]范超毅.數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)[M].華中科技大學(xué)出版社,2006.11; [2]機(jī)械手冊(cè)委員會(huì) .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 【M】. 機(jī)械工業(yè)出版社,2005 .10; [3]文懷興.數(shù)控機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].化學(xué)工業(yè)出版,2005.6; [4]羅永順.機(jī)床數(shù)控化改造[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007.7; [5]趙妙霞.機(jī)械精度設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制[M].蘭州大學(xué)出版社,2004.9.