【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 低摩擦要求，選用滾珠絲杠、螺母?jìng)鲃?dòng)副做傳動(dòng)和導(dǎo)向元件，可以直接選用減速步進(jìn)電機(jī)，以縮小傳動(dòng)鏈，提高系統(tǒng)剛度，并減少傳唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 6 動(dòng)鏈誤差。滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)之間采用聯(lián)軸器連接。選用兩步 進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)縱向和橫向的滾珠絲杠以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 5）刀架系統(tǒng)要求 采用電動(dòng)四方刀架，可使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去大量液壓管路。 6）數(shù)控系統(tǒng)要求 采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中沒(méi)有反饋電路，不帶檢測(cè)裝置，指令信號(hào)單方向傳遞。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉、易掌握，調(diào)試和維護(hù)比較方便簡(jiǎn)單，己廣泛應(yīng)用于一些數(shù)控車(chē)床。 改造方案確定 本設(shè)計(jì)屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造，基本原則是在滿足使用要求的前提下，對(duì)車(chē)床的改動(dòng)盡可能少。 總體設(shè)計(jì) 改造 方案 為： ( 1 ) 車(chē)床主軸正、反轉(zhuǎn)和主軸變速 , 在主軸的尾部安裝脈沖發(fā)生器將轉(zhuǎn) 速信息傳給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 ( 2 ) 車(chē)床縱、橫兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制 , 通常由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器控制的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)，由數(shù)控系統(tǒng)控制要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)。 ( 3 ) 刀架能在換刀點(diǎn)自動(dòng)改變四個(gè)刀位完成換刀功能。刀架旋轉(zhuǎn)和換刀是通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的可編程控制器控制三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 ( 4 ) 數(shù)控系統(tǒng)選用南京菁華數(shù)控工程有限公司生產(chǎn)的 JWK－ 15T 數(shù)控系統(tǒng)。 ( 5 ) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇 : 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用原有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) , 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以采用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)。 縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的的具體 改造方案：拆除原機(jī)床的進(jìn)給箱、溜板箱、傳動(dòng)絲杠、光杠和操縱杠，利用原機(jī)床進(jìn)給箱的安裝孔和銷(xiāo)孔安裝齒輪箱和電機(jī)。綜合考慮機(jī)床性能及經(jīng)濟(jì)性要求，選用開(kāi)環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)作為縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速裝置與滾珠絲杠相連實(shí)現(xiàn)機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的具體改造方案： 同縱向進(jìn)給系統(tǒng)改造相似，采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，原有的支撐結(jié)構(gòu)保留，步進(jìn)電機(jī)安裝在中拖板的后側(cè)。 此外，普通車(chē)床改裝后即變成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床，其工作時(shí)要求刀架能自動(dòng)換位。本設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架采用電動(dòng)四方刀架，且要求選取的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架必須 具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工的切削力，同時(shí)保證回轉(zhuǎn)刀架每次轉(zhuǎn)位的重復(fù)定位精度 [4]。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 7 綜上，對(duì)縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)及刀架的改造設(shè)計(jì)方案如圖 。 數(shù)控化改造步驟 1）對(duì)加工對(duì)象進(jìn)行工藝分析。確定工藝方案加工對(duì)象是機(jī)床改造的依據(jù)，不同工件和技術(shù)要求其加工方法不同，一般是在分析零件基礎(chǔ)繪制工序圖，初步選定切削用量、刀具運(yùn)動(dòng)路線，估算生產(chǎn)效率，計(jì)算切削力、切削功率，從而計(jì)算出進(jìn)給系統(tǒng)需要的功率和力矩，作為選擇主軸及進(jìn)給系統(tǒng)的依據(jù)。 2） 分析被改造機(jī)床，確定改造類(lèi)型。改造機(jī)床是圍繞機(jī)床本身系統(tǒng)加以改進(jìn)，即考慮原有結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，又考慮附件的改進(jìn)，根據(jù)對(duì)原機(jī)床的技術(shù)規(guī)格、技術(shù)參數(shù)、各部分尺寸的分析，改造后車(chē)床為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床，主軸轉(zhuǎn)速及最大加工件尺寸和加工螺紋功能不變。 3) 準(zhǔn)備工作就緒后，即可進(jìn)入改造的實(shí)施階段。 4) 驗(yàn)收工作。改造的后期工作也很重要，驗(yàn)收工作應(yīng)按已制定的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，主要包括機(jī)床機(jī)械性能的驗(yàn)收，電氣控制功能和控制精度的驗(yàn)收，試件切削驗(yàn)收。 圖 車(chē)床總體改造方案 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 8 3 傳動(dòng)及進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)參數(shù) 對(duì) CA6140 機(jī)床，最大 加工直徑 :床面上 φ 400 mm，床鞍上 φ 210 mm；最大加工長(zhǎng)度 : 750 mm；溜板及刀架重力 : 縱向 800 N，橫向 600 N；刀架快速移動(dòng)速度 : 縱向 24m/min, 橫向 12 m/min；最大進(jìn)給速度 : 縱向 3 m/min, 橫向 ；主電動(dòng)機(jī)功率 : kW；起動(dòng)加速時(shí)間 : 30 ms。根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量 , 縱向 : ；橫向 : mm/步。 傳動(dòng)部分改造設(shè)計(jì) 對(duì)普通車(chē)床進(jìn)行數(shù)控改造時(shí)，一般可保留原有的主傳動(dòng)系統(tǒng)和變速操縱機(jī)構(gòu)。這樣既保留了 車(chē)床的原有功能，又減小了改造量。 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床上加工螺紋或絲杠，需要配置主軸脈沖發(fā)生器作為車(chē)床主軸信號(hào)的反饋元件，其與車(chē)床主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)出主軸轉(zhuǎn)角位置變化信號(hào)，輸送到數(shù)控系統(tǒng)。主軸脈沖發(fā)生器的安裝，通常有兩種方式：一是同軸安裝，二是異軸安裝。脈沖發(fā)生器屬精密光學(xué)元件，安裝時(shí)應(yīng)格外小心，避免損壞光柵盤(pán)。因主軸直徑較大且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常采用異軸安裝。通常在加工螺紋時(shí)將其安裝，不使用時(shí)將其斷開(kāi)，避免不必要的磨損和信號(hào)干擾，延長(zhǎng)主軸脈沖發(fā)生器的使用壽命。 由于增量式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、精度易于保證，并且能 準(zhǔn)確測(cè)量出回轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)角速度，是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的優(yōu)先選擇，并且市場(chǎng)上該類(lèi)產(chǎn)品很多，直接購(gòu)買(mǎi)即可。 進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì) 進(jìn)給系統(tǒng)作為車(chē)床的一個(gè)重要組成部分，其性能的優(yōu)劣，直接影響零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。而數(shù)控車(chē)床進(jìn)給系統(tǒng)承擔(dān)了數(shù)控車(chē)床各直線坐標(biāo)軸、回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的定位和切削進(jìn)給，進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性直接影響被加工件的最后輪廓精度和加工精度。為此，對(duì)車(chē)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)要求是：低慣量，低摩擦阻力，高剛度，高諧振，無(wú)間隙傳動(dòng)。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 9 縱向進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì) 普通 車(chē)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改化造方案一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動(dòng)刀架左右移動(dòng)。我們可以直接選取減速步進(jìn)電機(jī)作為進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力源，以增加系統(tǒng)整體的剛度，減小傳動(dòng)鏈對(duì)加工精度的影響。減速步進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任意一端，對(duì)改造來(lái)說(shuō)，外觀不必像產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求那么高，而從改造方便、使用方面來(lái)考慮，將其設(shè)在縱向絲杠的左端，即車(chē)床主軸箱前部，如圖 所示 [5～ 6]。 圖 傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖 1. 縱向切削力的計(jì)算和主傳動(dòng)電機(jī)功率的校核 由《機(jī)械工程手冊(cè)》第二版“機(jī)械制造工藝設(shè)備 (二 )分冊(cè)可 知： 切削功率 Pm ： （ 31） 式中， Fc— 切削力 (N) Vc— 切削速度 (m/s) 主傳動(dòng)電機(jī)功率 PE： （ 32） 式中， η m — 傳動(dòng)效率， η m =～ 。 車(chē)削時(shí)總切削力分解為：切削力 Fc、進(jìn)給力 Ff、背向力 Fp。 3 10m c cP F V K W=mmE PP η=唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 10 切削力 Fc： （ 33） 進(jìn)給力 Ff： （ 34） 背向力 Fp： （ 35） 式中， ap — 背吃刀量 (mm) f — 進(jìn)給量 (m/r) Vc — 切削速度 (m/min) 根據(jù)廠家提供 CA6140 的參數(shù)，然后以 Q235 鋼為加工材料，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。加工零件的最大直徑 d=400mm，主軸最大轉(zhuǎn)速 n=1400r/min，刀具選擇 YT5 和 YTl5 硬質(zhì)合金焊接式車(chē)刀。 (1)粗車(chē)時(shí) 刀具選擇 YT5，對(duì)于長(zhǎng)徑比小于 200:1，背吃刀量 ap=，進(jìn)給量 f =～，切削速度 Vc =60～ 75m/min。 查《機(jī)械工程手冊(cè)》第二版“機(jī)械制造工藝設(shè)備 (二 )表 得： CFc=2650； XFc=1； YFc=； nFc=； KFc=1； CFf=2880； XFf=1； YFf=； nFf=； KFf=1。 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速： 取工件毛坯直徑 d=410mm，切削速度 Vo =70m/min，則主軸轉(zhuǎn)速 n： 查 CA6140 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速系列，可選主軸轉(zhuǎn)速 n為 63r/min。 則可計(jì)算出切削力 Fc、進(jìn)給力 Ff、背向力 Fp 的值 切削力 Fc： 進(jìn)給力 Ff： F c F c F cc X Y nc F p F cF C a f V c K=F f F f F ff X Y nf F p F fF C a f V c K=F p F p F pX Y np F p p F pF C a f V c K=m in/ 1 0π 701 0 0 0πd1 0 0 0 rVn c = ==NKVfapCF FcncYXFcc FcFcFc 0 .1 ===NKVfaCF Ffn FfcYXpFff FfFf 0 . ===唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 11 背向力 Fp： 切削功率 Pm ： 主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率 PE ： 即 CA6140 普通車(chē)床提供的主傳動(dòng)電機(jī)功率 滿足粗車(chē)要求。 (2)精車(chē)時(shí) 計(jì)算機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速 取工件直徑 d=400mm，切削速度 Vc=140m/min，則主軸轉(zhuǎn)速 n 查 CA6140 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速系 列，可選主軸轉(zhuǎn)速 n為 125r/min 則可計(jì)算出切削力 Fc、進(jìn)給力 Ff、背向力 Fp 的值 切削功率 Pm： 主傳動(dòng)電機(jī)功率 PE： 即 CA6140 普通車(chē)床提供的主傳動(dòng)電機(jī)功率 滿足精車(chē)要求。 (3)計(jì)算結(jié)果的比較 粗車(chē)和精車(chē)時(shí)切削力 Fc、進(jìn)給力 Ff、背向力 Fp 的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 3l 所示。 表 3l Fc、 Ff、 Fp 計(jì)算結(jié)果 車(chē)削 類(lèi)型 工件直徑(mm) ap (mm) f (m/r) Vc (m/min) n (r/min) Fc(N) Ff(N) Fp(N) 粗車(chē) 410 70 63 2888 1267 1073 NKVfaCF FpncYXpFpp FpFpFp 0 0 . ===KWVFP ccm 871010 33 =247。==KWKWPP mmE ===m in/ 1 14 0 0π 1 4 01 0 0 0π1 0 0 0 rd Vn c = ==NFNFNFpfc 0011 95 0 9711 88 0 69 811 65 00 . 0 . 0 . 1 ======KWVFP ccm 33 =247。==KWKWPP mmE === η唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 12 精車(chē) 400 2 140 125 1698 598 600 經(jīng)比較，粗車(chē)時(shí)的切削力比精車(chē)時(shí)大，因此本系統(tǒng)數(shù)控化改造設(shè)計(jì)計(jì)算按照粗車(chē)時(shí)的切削參數(shù)進(jìn)行。 2. 縱向滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 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)為滾珠絲杠副型號(hào)的選擇[7～ 8]。 (1)計(jì)算縱向滾珠絲杠軸向力 F 綜合車(chē)床導(dǎo)軌對(duì)滾珠絲杠的作用可算得縱向滾珠絲杠軸向力 F : (3－ 6) 式中， f’ — 當(dāng)量摩擦系數(shù)，對(duì)正常潤(rùn)滑的滑動(dòng)導(dǎo)軌，三角形和矩形導(dǎo)軌 ,f’ =～ 。 K — 傾覆力矩影響系數(shù)，三角形和矩形導(dǎo)軌 K =～ 。則 (2)壽命計(jì)算 壽命系數(shù) Kh： 式中 Lh— 滾動(dòng)螺旋副的壽命，從《機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)表 ～ 25查得， Lh =l5000h。 轉(zhuǎn)速系數(shù) Kn： 基本額定載荷 Ca: (3— 7) 式中， KF、 KH、 KL— 分別為載荷系數(shù)、硬度系數(shù)、短行程系數(shù)，對(duì)中等沖擊，從《機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)表 10— 2 10— 2 10— 28查得， KF =～ ，取值 ；硬度最大為 60HRC 時(shí) KH 取值 ；行程系數(shù)最小為 1是 KL 取值 。 (3)選擇滾珠絲杠的型號(hào) 根據(jù)計(jì)算的基本額定載荷 Ca≥ ，查《機(jī)械 零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)表 G18— 4，33 15000 3 .1 15 0 0 5 0 0hh LK = = =333 3 . 3 3 3 . 3 0 . 8 163nK n===39。( )f c pF K F f F F G= + + +KNFKKKKKC LHFnha ≥ ==N 24 35 . 0 014 70 )10 73 . 7 8( 28 87 . 850. 1812 67 . 2 61. 15 F =+++=