【正文】 轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確可靠，工作平穩(wěn)安全。 表 218 DF3A 系列 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器技術(shù)參數(shù) 驅(qū)動(dòng)器型號(hào) DF3A03 DF3A04 DF3A05 DF3A06 DF3A08 DF3A10 適配電機(jī) 90BF 110BC380B 130BC380C 130BC380D 110BC380C 130BC380E 110BF 輸入電源 AC110V15%~+10%50/60Hz(MAX) AC220V15%~+10%50/60Hz3A(MAX) 輸出相電源 3A 4A 5A 6A 8A 10A 電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速 不低于 1300r/min 工作環(huán)境 0~45Co， 0%~85%RH、不結(jié)露；無(wú)腐蝕、易燃易爆、導(dǎo)電性氣體、液體和粉塵 保存環(huán)境 20~80Co， 0%~85%RH、不結(jié)露 驅(qū)動(dòng)方式 單高壓恒流斬波半橋方式 細(xì)分選擇 4位 DIP 開(kāi)關(guān)上電前設(shè)定 1/5/10/20 細(xì)分 輸入脈沖方式 單脈沖方式： CP+DIR（脈沖 +方向）；雙脈沖方式： CW+CCW（正傳脈沖+反轉(zhuǎn)脈沖） 脈沖頻率 不大于 250kHz 脈沖寬度 不小于 1us 換向間隔 不小于 10us 使能輸入 FREE 信號(hào)有效驅(qū)動(dòng) 器有電流輸出、電動(dòng)機(jī)受控 輸入信號(hào)電平 5V、 3~10mA， 12V 時(shí)串入 1kΩ電阻，輸入回路有電流時(shí)輸入有效 初始相位輸出信號(hào) B 相位上電初始輸出相位，僅 B相輸出有效時(shí)， 輸出（ NPN 型OC）有效；與 接通，吸入電流不大于 6A 電流，負(fù)載電壓不大于 24V。引入單片機(jī)進(jìn)行軟環(huán)分及矢量細(xì)分，實(shí)現(xiàn) 1:1 平滑細(xì)分及 20 倍矢量細(xì)分，使得步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)，避免震蕩及失步。 m，步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 maxf =，選用步距角 。由式求得： 快T = 摩T = fT +To = N m 若不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可由上式（其中安全系數(shù)取 ）求得： qT = m，步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 maxf = Hz，選用步距角 。 m 由式可得： ???? ofa TTTT m a x N m= 4） 輸出角與輸入脈沖嚴(yán)格成比例，且在時(shí)間上同步。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的指令信號(hào)單方向傳送，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來(lái)，故稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 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(diǎn)及應(yīng)用見(jiàn)表 216。 ○ 3 絲杠有熱膨脹的余地。絲杠一端安裝兩個(gè)深溝球軸承或角接觸球軸承或圓錐滾子球軸承的稱(chēng)為固定支承（ G）。齒輪傳動(dòng)時(shí)，效率η i=。有式計(jì)算 KF 。039。查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》，由于導(dǎo)程為 6mm，所以選取滾珠絲杠的型號(hào)為 CDM32065，工程直徑為 32mm，其額定動(dòng)載荷是 26250N,故強(qiáng)度夠足夠。 滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)歸結(jié)為滾珠絲杠型號(hào)的選擇。 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(duì)滾珠絲杠有利而不致堵塞。后者有專(zhuān)業(yè)廠生產(chǎn)，應(yīng)用較廣，所以選用螺旋鋼帶保護(hù)套。 ○ 9 有專(zhuān)業(yè)廠生產(chǎn)，選用配套方便。 ○ 2 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，摩擦力小，靈敏度高，低速無(wú)爬行。為實(shí)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(dòng)絲桿，同時(shí)為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。 （ 2）、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。 液壓系統(tǒng)的清潔和維護(hù) 在車(chē)床數(shù)控化改造中一般不需要對(duì)機(jī)床原來(lái)的切削液系統(tǒng)進(jìn)行改造。 結(jié)合脈沖編碼器每轉(zhuǎn)進(jìn)給脈沖數(shù) （即分辨率）對(duì)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(guò)主軸脈沖發(fā)生器的最高須用轉(zhuǎn)速的原則，初步選擇長(zhǎng)春三峰傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的常規(guī)型實(shí)心軸光電編碼器 PIE 系列編碼器。目前常用的有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架和帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置。 在進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)對(duì)縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)。與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相比，其精度高、價(jià)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(dòng)裝置。 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(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計(jì)、自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的選擇設(shè)計(jì)、編碼盤(pán)的選用和安裝、電氣系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)的清潔與維護(hù)等幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行，通過(guò)改造使其具有數(shù)控機(jī)床的一般特性。 這次設(shè)計(jì)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(dòng)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。 C6132車(chē)床改造屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床的改造，主要針對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化改造，利用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)。 關(guān)鍵詞 ： 普通車(chē)床 。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。 1 前言 目前我國(guó)機(jī)床主要是臥式車(chē)床，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，型號(hào)陳舊，技術(shù)水平落后，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的發(fā)展。 數(shù)控化改造后具有如下幾個(gè)優(yōu)越性： 數(shù)控化改造提高了加工精度和生產(chǎn)率。數(shù)控系統(tǒng)方面，考慮到直流 伺服電動(dòng)機(jī)的價(jià)格昂貴，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)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(dòng)機(jī) 減速齒輪 滾珠絲杠螺母副 小滑板的傳動(dòng)方式。 國(guó)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(dòng)，功能比較齊全，性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜，一般用于經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床。 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(dòng)。為實(shí)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(dòng)絲桿，同時(shí)為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減少 摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。根據(jù)所加工零件的工藝要求及機(jī)床控制方式，在本改造中，采用四方自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。機(jī) 床中的主軸電動(dòng)機(jī)、冷卻泵電動(dòng)機(jī)、刀架電動(dòng)機(jī)等均需要系統(tǒng)自動(dòng)控制。 對(duì) C6132 車(chē)床進(jìn)行數(shù)控化改造后，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(guò)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(gè)車(chē)床系統(tǒng)能 正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)控車(chē)床的性能和加工特點(diǎn)。 （ 5）、 320*240 點(diǎn)陣圖形式液晶顯示。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(duì)嚙合齒輪組成，使減速器輸出軸通過(guò)連接套與滾珠絲桿直接相連，由滾珠絲桿副把動(dòng)力傳給工作臺(tái)帶動(dòng)工作臺(tái)的移動(dòng)。 ○ 5 使用壽命為普通滑動(dòng)絲杠的 4~10 倍，甚至更高。 機(jī)床類(lèi)型 坐標(biāo) 精度等級(jí) 1 2 3 4 5 7 10 數(shù)控機(jī)床 X Z √√ √ √ √ 滾珠絲杠的潤(rùn)滑、防護(hù)、密封 ○ 1 潤(rùn)滑：滾珠絲杠必須潤(rùn)滑。其中， P查《機(jī)床說(shuō)明書(shū)》，可知 P=；η一般為 ~，取η =； K=，則 cP =╳ ╳ = 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(lái)計(jì)算，即由式 (23)計(jì)算。 原因：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性?xún)?yōu)良、適合成批生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，適用于重載荷傳動(dòng)、高速驅(qū)動(dòng)及精密定位系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)。 （ a） 工作負(fù)載 mF 。根據(jù)《機(jī)械原理》，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 0? 可由下式求得。但由于滾珠絲杠受扭時(shí)引起的導(dǎo)程變化很小，可以忽略不計(jì)，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=╳ 410 Mpa（ ╳ 106N/cm2）； A 按絲杠螺紋底徑確定 d，若 d=， A=4? ╳ cm2=； P0=6mm=，則： ⊿ P= EAPFm 0?? = 7 6 9 6 5 26 ?? ??cm=+╳ 106cm “ +” 用于拉伸，“ ”用于壓縮時(shí) 。其中， p? =；參考《實(shí)用微電機(jī)手冊(cè)》，初選 b? =.； P0 為滾珠絲杠導(dǎo)程， P0=6mm，則： i=pbP??00360 = ?? = 當(dāng)傳動(dòng)比 i1 時(shí)，進(jìn)給傳動(dòng)為減速傳動(dòng)；當(dāng) i1 時(shí)，進(jìn)給傳動(dòng)為升速傳動(dòng)。 壓力角：α =20. 分度圓直徑由式求得，分別為： d1= 1Z ╳ m=32╳ 2mm=64mm d2= 2Z ╳ m=40╳ 2mm=80mm 中心距由式可得： 2 )( 21 ZZma ?? = 2 )4032(2 ?? mm= 76mm 橫向機(jī)械傳動(dòng)部分的數(shù)控化改造和設(shè)計(jì)計(jì)算 已知條件：工作臺(tái)重量（根據(jù)圖樣粗略計(jì)算）： G=400N 時(shí)間常數(shù)： T=25ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程： P0=4mm 刀架最大行程： S=240mm 脈沖當(dāng)量： P? = 步距角：α =./步 快速進(jìn)給速度： maxv =1m/min 最大進(jìn)給速度： maxf = 切削力的計(jì)算 因?yàn)闄M向進(jìn)給量為縱向的 1/3~1/2，取 1/2，則橫向主切削力約為縱向的 1/2。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)要獲得較高的傳動(dòng)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。下面詳述這兩種支承方式的軸端形式及尺寸。 3） 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。 步進(jìn)電機(jī)有以下特點(diǎn)： 1） 能方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)和啟?？刂疲瑔⑼r(shí)間短。 縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選擇 步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號(hào)控制的電動(dòng)機(jī)。 m maxjT 可由式求得，其中λ =，則： maxjT = ?qT = N m 4）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 切T 。 表 217 型號(hào) 相數(shù) 額定電壓 /N 靜態(tài)電流 /A 步角距 （ O） 保持轉(zhuǎn)矩 最大靜轉(zhuǎn)矩 空載啟動(dòng)頻率/Hz 空載運(yùn)行頻率/Hz 110BF003 3 80 6 橫向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選擇 （ 1）負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算。 m = N m = N根據(jù)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)要和數(shù)控系統(tǒng)及 X、 Z 軸電動(dòng)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(dòng)器。 4） 適用面廣。自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架也稱(chēng)為轉(zhuǎn)塔式 刀架。 4） 防水、防屑，密封性能優(yōu)良。 其具體過(guò)程是：當(dāng)微機(jī)發(fā)出換刀信號(hào)后，刀架控制器中間繼電器動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)正傳 驅(qū)動(dòng)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(shí)，離合轉(zhuǎn)盤(pán)起作用，帶動(dòng)上刀體旋轉(zhuǎn)。然后，卸掉刀架電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇罩殼，逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使上刀架相當(dāng)于下刀體轉(zhuǎn)動(dòng) 45o左右。它與車(chē)床主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)出主軸轉(zhuǎn)位角位置變化信號(hào)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(jì)算處理，從而控制機(jī)床步進(jìn) 電機(jī)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確加工螺紋的目的。 m該編碼器經(jīng)濟(jì)適用，力矩小，多規(guī)格，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(chē)床主軸最高轉(zhuǎn)速20xxr/min。 圖 29 刀架的安裝尺寸 8 編碼 器的選用和安裝 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。螺桿帶動(dòng)上刀體下降，直至齒牙盤(pán)嚙合，完成定位，并通過(guò)渦輪蝸桿鎖緊螺母，使刀架緊固。 圖 28 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架尺寸圖 表 219 立式轉(zhuǎn)位刀架參數(shù) 型號(hào) H1 H2 H3 A E E1 D D1 B 174 70 38 161 12 12 126 126 171 LD4CK6132 F C Φ L1 L2 L3 L4 Φ / 12 146 13 360 226 152 21 90 (2)自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架工作原理。 數(shù)控車(chē)床刀架的基本要求 數(shù)控車(chē)床的刀架是機(jī)床的重要組成部分。見(jiàn)表 218。 2） 低速性能好。 m，快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩 T= N m 3）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 快T 。根據(jù)能量守恒，可由上式求得： mT = )35( 26 6 3??? ?? ?? = m，快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩 T= N m 同理可得， F0= mF /3= N，則： 0T = ?200PF η oη i = N根據(jù)能量守恒，電動(dòng)機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式可得： 3??? ??? ??mT N 3） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)快。 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)主要是由驅(qū)動(dòng)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(tái)等）三大部分組成。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(wú)外載荷，對(duì)絲杠軸承主要要求軸向精度和剛度較高，摩擦力矩盡量小。 ○ 2 壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速高。 圖 25 偏心軸套式結(jié)構(gòu) 1—— 步進(jìn)電機(jī) 2—— 偏心套 3—— 箱體 4—— 主動(dòng)齒輪 滾珠絲杠的支撐與軸承選用 滾珠絲杠支撐形式的選擇 為了滿(mǎn)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(jì)，注意選用軸向剛度高、摩擦力小、運(yùn)行精度高的軸承。 齒輪的材料采用 40Cr，調(diào)質(zhì)處理，精度等級(jí)取 7級(jí)，前后軸承選用 8042 型流動(dòng)軸承。滾珠