【正文】 裝在主軸上，對(duì)工件進(jìn)行加工。 1948 年美國(guó)Parsons 公司與空軍簽 訂 合同，發(fā)展一種柔性的控制系統(tǒng)，希望裝備有這種控制系統(tǒng)的機(jī)床能在規(guī)定的精度下得到最高生產(chǎn)率，在變更加工零件時(shí)工夾具的變換不要太花費(fèi)時(shí)間，并且適合于中、小批量生產(chǎn)。選用滾珠絲杠 時(shí)進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算出來的結(jié)果選用標(biāo)準(zhǔn)的 滾珠絲杠 ，從而降低改造的成本。90176。 其中 關(guān)鍵 部分 是 橫向 進(jìn)給 機(jī)構(gòu)改造 的設(shè)計(jì)計(jì)算 、步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算和控制電路的設(shè)計(jì) 。 ⑸ 驅(qū)動(dòng)元件 的選擇， 根據(jù) 改造的經(jīng)濟(jì)性 要求選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算， 這樣改造后的機(jī)床能基本滿足加工要求 和改造的經(jīng)濟(jì)性 。 [10] 在 1959 年 3 月，由美國(guó)卡耐 [21] 1974 年以后，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器直接用于數(shù)控機(jī)床，使數(shù)控的 軟件功能加強(qiáng)，發(fā)展成計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床（簡(jiǎn)稱為 CNC 機(jī)床），進(jìn)一步推動(dòng)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。我國(guó)利用稀土永磁材料的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)新型大功率、高效率、寬調(diào)速范圍永磁同步型交流電主軸單元，將可有效解決現(xiàn)有電主軸存在的問題，形成具有中國(guó)特色的新一代 電主軸產(chǎn)品。 但是，數(shù)控機(jī)床價(jià)格較貴，一次性投資大，不易被中小型企業(yè)所接受；各企業(yè)又都擁有大量的普通機(jī)床，用數(shù)控機(jī)床替換下來的舊機(jī)床又會(huì)造成浪費(fèi)，而將普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造可以說是一條經(jīng)濟(jì)實(shí)用之路。 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)。 ⒊ 提高生產(chǎn)效率。在原有機(jī)床基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，和新的數(shù)控機(jī)床相比較。既要功能相匹配，又要盡量減少過剩的數(shù)控功能。 ⑵ 機(jī)械部分改造 機(jī)床數(shù)控改造后應(yīng)達(dá)到較高的靜動(dòng)態(tài)剛度，為此要求運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦系數(shù)小、傳動(dòng)無間隙、功率大，并且便于操作和維修等。 [23] 本次設(shè)計(jì)選用的是 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng) ： 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng) ，步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，無檢測(cè)反饋機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)的定位精度一般可達(dá) 177。橫向步進(jìn)電機(jī)固定在床鞍上。 ⒋ 技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或?yàn)?了使用新工藝、新技術(shù)，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 ；同時(shí)還要保證經(jīng)濟(jì)性 。以并聯(lián)結(jié)構(gòu)代替串聯(lián)結(jié)構(gòu)就是開發(fā)綠色數(shù)控機(jī)床的一條途徑，因?yàn)椴⒙?lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床消耗的金屬材料僅為常規(guī)串聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī) 床的幾分之一，其加工量也比常規(guī)機(jī)床大幅度減少，特別是 減少 了大型結(jié)構(gòu)件的鑄造，這將顯著降低機(jī)床制造過程中的能源消耗和對(duì)環(huán)境的污染。 ⒉ 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)開環(huán)控制系統(tǒng)。加工螺紋時(shí)為了保證步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給與主軸的旋轉(zhuǎn)相配合，切削出固定螺距、固定起點(diǎn)、多頭螺紋等量分度的螺紋，通常在主軸尾部安裝增量式光電編碼器。 刀杠支承面至中心的距離 26mm 刀杠截面 B H 2525mm 尾座 頂尖 套莫氏錐度 5 橫向最大移動(dòng)量 177。因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令僅使拖板運(yùn)動(dòng)而沒有位置檢測(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。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。 ⒉ 橫 溜 板箱部分：將原橫溜板的絲杠 螺母拆 除，改裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副、橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱 安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。與滑動(dòng)絲杠副或液壓缸傳動(dòng)相比，有以下主要特點(diǎn)： 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 2~4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。 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程中溫升較小，無爬行。 GFFfKFF cvlm ???? （ 31） 式中 ： K 是考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)； f ′是 滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù) ； Fl 是 拖板上的 進(jìn)給方向載荷 ； Fv 拖板上的垂直方向載荷 ； G 是縱向、橫向溜板箱和刀架的重量 。f =~；靜壓導(dǎo)軌 39。 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 ） 。39。? = ?41 1? = mm CA6140 普通車床 橫向 進(jìn)給機(jī)構(gòu) 的數(shù)控化改造 16 ⑵ 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2? (mm) 采用有預(yù)緊的方式， 因此用公式 ：? ?3 22 0 0 1 ??? ZFd Fyjb m? （ 39） =3 217031 2 0 9 . 1 2 0 9 . ??? = 在這里：預(yù)緊力 Fyj=1/3Fm=1/3? = 一圈的滾珠數(shù) Z=π do/db=? 25/=17 滾珠數(shù)量 ZΣ=17? ? 4=170 ⑶ 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 3? (mm) 采用 8204 型推力球軸承， d1=20mm，滾動(dòng)體直徑 dQ=，滾動(dòng)體數(shù)量z=12， Fm的單位是 kgf 因此用公式 ：3 223 zdFQm???? （ 310） = ? ?322 ?? = 絲杠的總變形量 ： δ=δ1+δ2+δ3=++=（ 定位精度 ） 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)載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。 同樣的一批軸承載相同工作條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，各軸承的實(shí)際壽命大不相同，最高和最低的可能相差數(shù)十倍。徑向基本額定動(dòng)載荷 Cr 對(duì)向心軸承（角接觸軸承除外）是指徑向載荷，對(duì)角接觸軸承則是指引起軸承套圈間產(chǎn)生相對(duì)徑向位移時(shí)的載荷徑向分量。 單列向心軸承或角接觸軸承當(dāng) Fa/Fr≤ e 時(shí)， Y=0， P=Fr即軸向載荷對(duì)當(dāng)量動(dòng)載荷的影響可以不計(jì)。 選用步進(jìn)電機(jī)最基本的原則： ⒈ 步距角 α 步距角應(yīng)滿足 ： imin??? （ 41） 式中 ： i 為 傳動(dòng)比 ； α min 為 系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件要求的最小轉(zhuǎn)角 。 ⒌ 起 動(dòng)頻率 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的 起 動(dòng)頻率隨 著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低， 不能保證在快速空載起動(dòng)和運(yùn)行時(shí)不失步， 因此， 還要用起動(dòng) 力 矩頻率特性和運(yùn)行頻率特性兩條重要的性能曲線來檢查所選的電機(jī)的型號(hào)是否滿足要求。cm2 3433 ??? LdJ = 4 2 103= cm2）； ε為電機(jī)最大角加速度（ rad/s2）； ta為運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)咋加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間（ s）； nmax 為電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（ r/min）。cm iLFM opoo ??2? ?? ?? ?= N）。cm2 34 ??? LdJ ss = 4 45 103= cm2）可以由下式計(jì)算： ? ? ? ? ?????????? ???????? ?????????????????????????????? 24243322211 2 ?osM LgGJJzzJJzzJJJ （ 45） 式中 ： JM 為 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)已慣量 （ kg [△θs]系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差。 Fa/C0r反映軸向載荷的相對(duì)大小，它通過接觸角的變化而影響 e 值。 ⒈ 當(dāng)量載荷 滾動(dòng)軸承若同 時(shí)承受徑向和軸向聯(lián)合載荷，為了計(jì)算軸承壽命時(shí)在相同條件下比較，需將實(shí)際工作載荷轉(zhuǎn)化為當(dāng)量動(dòng)載荷。實(shí)際選擇軸承時(shí)常以基本額定壽命為標(biāo)準(zhǔn)。 表 32 絲杠的支撐方式系數(shù) 方式 兩端自由 一端固定一端自由 兩端固定 兩端簡(jiǎn)支 fz 由22l EIfF zK ?? 且 fz=， E=? 106（ N/cm2）， I=π d14/64（ cm4） ， l=45cm 其中 ： I=π d14/64=π ()4 /64=? 臨界載荷22l EIfF zK ??=262 45 822 ???? =330148N 穩(wěn)定性安全系數(shù)mKK FFn ? = =270[nK] 所以絲杠很穩(wěn)定，故所選絲杠合格。10 。 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 比較 貴，并且較難安裝。 橫 向切削外圓時(shí) 的主切削力 F’z 是縱向主切削 Fz 的一半 ，車床的 縱向 主切削力 Fz（ N）可以用經(jīng)驗(yàn)公式估算： DFz ? （ 32） 式中 ： Dmax 是車床床身上加工的最大直徑，單位為 mm； 得 F’z= = =2680(N) 按切 削力各分力比例： F’z : F’x : F’y =1 : : （ 33） 得 F’x=’z=670(N) F’y=’z=1072(N) 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 F’l、 F’v 和 F’c 與車刀所受到的車削抗力有對(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 Fl=F’x=670 (N) 拖板上的垂直方向載荷 Fv=F’z=2680(N) 拖板上的橫向載荷 Fc=F’y=1072(N) 選取燕尾形導(dǎo)軌及 導(dǎo)向?yàn)橘N塑導(dǎo)軌，則： K= f ′= ， Fl 為工作臺(tái)進(jìn)給方向載荷， G=600N 最大工作載荷： )2(39。f 可取下列數(shù)值： 矩形導(dǎo)軌 K = 39。 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，無阻滯，無滑移，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。所以滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)無顫動(dòng)，低速時(shí)無爬行。 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是指一個(gè)進(jìn)給脈沖使機(jī)床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量 ,它是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一 個(gè)基本參數(shù)。 溜 板箱 部分 采用數(shù)控系統(tǒng)控制。 ⒈ 在傳動(dòng)裝置的布局上采用減速齒輪箱來提高傳動(dòng)扭矩和傳動(dòng)精度 （ 分辨率為 mm/脈沖 ） 。 起動(dòng)加速時(shí)間 30ms 脈沖當(dāng)量 溜板及刀架重力 橫向 600N 代碼制 ISO 脈沖分配方式 逐點(diǎn)比較法 輸入方式 絕對(duì)、增量 控制坐標(biāo)數(shù) 2 自動(dòng)升降速性能 有 主電機(jī)功率 其它要求 ⒈ 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 及 縮短改造周期。 ⒐ 自動(dòng)刀架安裝。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) 加強(qiáng)用數(shù)控技術(shù)改造傳統(tǒng)機(jī)床。為此應(yīng)加強(qiáng)開發(fā)綠色 環(huán)保的 數(shù)控產(chǎn)品，加速促進(jìn)數(shù)控產(chǎn)品、數(shù)控產(chǎn)業(yè)以及整個(gè)制造業(yè)的綠色化，主要戰(zhàn)略措施應(yīng)考慮以下幾方面： 1) 有效減少產(chǎn)品制造及使用過程中的環(huán)境污染。 ⒋ 控制電路設(shè)計(jì)。 ⒉ 滾珠絲杠的選型及校核。目前多使用在原導(dǎo)軌上粘接聚四氟乙烯軟帶，能防爬，并具有自潤(rùn)滑性 ,可提高導(dǎo)軌壽命，工作量小、周期短、費(fèi)用低。 目前數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型：步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)；異步電機(jī) 或直流電機(jī)拖動(dòng)光柵測(cè)量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)；交 /直流伺服電機(jī)拖動(dòng)編碼器反饋的半CA6140 普通車床 橫向 進(jìn)給機(jī)構(gòu) 的數(shù)控化改造 4 閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。培訓(xùn)時(shí)間短 ， 培訓(xùn)費(fèi)用少。對(duì)復(fù)雜零件而言，難度越高，功效提高得越多。 機(jī)床改造的內(nèi)容及意義 研究意義 ⒈ 節(jié)省資金。 在美國(guó)、德國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，將機(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。近 10年來，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為 ～ ，年產(chǎn)值約為18億元。這種單元投資少，見效快，既可單獨(dú)長(zhǎng)時(shí)間少人看管運(yùn)行，也可集成到 FMS 或更高級(jí)的集成制造系統(tǒng)中使用。Trecker Corp.）開發(fā)出來 了加工中心 。 關(guān)鍵字 ： 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī) 滾珠絲杠 控制電路 CA6140 普通車床 橫向 進(jìn)給機(jī)構(gòu) 的數(shù)控化改造 8 目 錄 第一章 緒論 …………………………………………………… 1 課題背景 ……………………………………………… …………… 1 數(shù)控的發(fā)展史 …………………… ……………… …………… 1