【文章內(nèi)容簡介】 運用信息技術(shù)和自動化技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和裝備現(xiàn)代化這一產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標得以實現(xiàn)，又可取得巨大的經(jīng)濟效益。我國擁有普通機床數(shù)百萬臺，加強用數(shù)控技術(shù)改造傳統(tǒng)機床將成為下世紀我國數(shù)控領域的重要發(fā)展方向。 總之， 制定符合中國國情的總體發(fā)展戰(zhàn)略，確立 與國際接軌的發(fā)展道路， 是對 21 世紀我國數(shù)控技術(shù) 及其相關(guān) 產(chǎn)業(yè)發(fā)展 的關(guān)鍵 。 CA6140 普通車床 橫向 進給機構(gòu) 的數(shù)控化改造 6 第二章 設計要求 總體方案設計要求 機床 的 總體方案設計應考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等 （本次設計主要是橫向進給機構(gòu)的改造設） 。 ⒈ 普通車床數(shù)控化改造后應具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。 ⒉ 車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下應簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進 電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 ⒊ 根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟性要求，經(jīng)濟型數(shù)控機床一般采用 8 位微機。在 8 位微機中， MCS51 系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性價比，因此，可選 MCS51 系列單片機擴展系統(tǒng)。 ⒋ 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機數(shù)控系統(tǒng)中除了 CPU 外，還包括擴展程序存儲器，擴展數(shù)據(jù)存儲器、 I/O 接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進電機驅(qū)動電路。 ⒌ 橫向 和縱向 進給 各 是 一 套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應滿足機床所要求的分辨率。 ⒍ 為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性， 應 選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應有預緊機構(gòu)，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應有消除齒側(cè)間隙的機構(gòu)。 ⒎ 為防進給部件爬行，影響運動平穩(wěn)性和定位精度， 采用貼塑導軌，以減小導軌的摩擦力。 ⒏ 安裝光電編碼器。加工螺紋時為了保證步進電機進給與主軸的旋轉(zhuǎn)相配合，切削出固定螺距、固定起點、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。切制螺紋時，編碼 器與主軸同步旋轉(zhuǎn)，同時發(fā)出與主軸轉(zhuǎn)角相對應的脈沖信號，控制刀架縱向移動。 ⒐ 自動刀架安裝。將原車床的刀架換成自動轉(zhuǎn)位刀架。臥式車床自動轉(zhuǎn)位刀架最常見的型式是四轉(zhuǎn)位刀架，拆除小拖板后將刀架調(diào)整好高度安裝在中拖板上， 由數(shù)控系統(tǒng)直接控制，效率高，工藝性能可靠。 天津大學成人高等教育本科畢業(yè)設計 (論文 ) 7 機床的 總體方案設計圖 ， 如圖 21 所示： 圖 21 數(shù)控車床改造的總體方案示意圖 進給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖 ， 如圖 22 所示： 圖 22 經(jīng)濟型數(shù)控車床進給伺服系統(tǒng)方案框圖 設計參數(shù) 設計參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設計 數(shù)控進給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)。 現(xiàn)列出 CA6140 臥式車床的技術(shù)數(shù)據(jù) ，見表 21： CA6140 普通車床 橫向 進給機構(gòu) 的數(shù)控化改造 8 表 21 CA6140 臥式車床的技術(shù)數(shù)據(jù) 名稱 技術(shù)參數(shù) 工件最大直徑 在床身上 400mm 在刀架上 210mm 最大加工長度 750、 1000、 1500、 2021mm 加工螺紋范圍 公制螺紋 mm 1~12 (20 種 ) 英制螺紋 t/m 2~24 (20 種 ) 模數(shù)螺紋 mm ~3 (11 種 ) 徑節(jié)螺紋 t/m 7~96 (24 種 ) 進給量 縱向級數(shù) 64 縱向范圍 ~橫向級數(shù) 64 橫向范圍 ~主軸 最大通過直徑 48mm 孔錐度 莫氏 6 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù) 24 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 10~1400r/min 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù) 12 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 14~1580r/min 滑板行程 橫向 320mm 縱向 650、 900、 1400、 1900mm 刀架 最大行程 140mm 最大回轉(zhuǎn)角 177。90176。 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 橫向最大移動量 177。10mm 外形尺寸 長寬高 241810001267mm 工作精度 圓度 圓柱度 200: 平面度 表面粗糙度 Ra ~ 電動機功率 主電動機 總功率 天津大學成人高等教育本科畢業(yè)設計 (論文 ) 9 本次設計 要求 的橫向進給機構(gòu) 改造設計參數(shù) ，見表 22： 表 22 橫向進給機構(gòu) 改造設計參數(shù) 名稱 技術(shù)參數(shù) 最大加工直徑 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm 快進速度 橫向 最大切削進給速度 橫向 定位精度 177。 起動加速時間 30ms 脈沖當量 溜板及刀架重力 橫向 600N 代碼制 ISO 脈沖分配方式 逐點比較法 輸入方式 絕對、增量 控制坐標數(shù) 2 自動升降速性能 有 主電機功率 其它要求 ⒈ 原機床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動量 ，以降低成本 及 縮短改造周期。 ⒉ 機械結(jié)構(gòu)改裝部分應注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正安裝、調(diào)試、拆卸 方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應方便。 注：本次畢業(yè)設計的計算公式和手冊主要參考： ⒈ 郝忠軍、雷曉玲主編，綜合作業(yè)指導書，北京：機械部工程師進修大學電氣學院出版社， 1995； ⒉ 吳宗澤、羅圣國主編 ， 機械設計課程設計手冊 ， 北京 :高等教育出版社 ， 1998； ⒊ 李洪主編，實用機床設計手冊，遼寧：遼寧科學技術(shù)出版社， 1999； ⒋ 李金伴、馬偉民主編，實用數(shù)控機床技術(shù)手冊，北京：化學工業(yè)出版社，2021。 CA6140 普通車床 橫向 進給機構(gòu) 的數(shù)控化改造 10 第三章 進給伺服系統(tǒng)機械部分設計與計算 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設計 進給系統(tǒng)改造設計需要改動的主要 部分有 拖板 部分和 溜 板箱 部分 。 拖板部分 拖板是數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對象，不論是點位控制還是連續(xù)控制，對被加工零件的最后坐標精度將受拖板運動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。對于應用步進電機作拖動元件的開環(huán)系統(tǒng)尤其是這樣。因為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令僅使拖板運動而沒有位置檢測和信號反饋，故實際移動值和系統(tǒng)指令值如果有差別就會造成加工誤差。因此，除了拖板及其配件精度要求較高外，還應采取以下措施來滿足傳動精度和靈敏度要求。 ⒈ 在傳動裝置的布局上采用減速齒輪箱來提高傳動扭矩和傳動精度 （ 分辨率為 mm/脈沖 ） 。 ⒉ 在齒輪傳動中，為提高正、反傳動精度必須盡可能的消除配對齒輪之間的傳動間隙，其方法有兩種，柔性調(diào)整法和剛性調(diào)整法。柔性調(diào)整法是指調(diào)整之后的齒輪側(cè)隙可以自動補償?shù)姆椒?，在齒輪的齒厚和齒距有差異的情況下，仍可始終保持無側(cè)隙嚙合。但將影響其傳動平穩(wěn)性，而且這種調(diào)整法的結(jié)構(gòu)比較復雜，傳動剛度低。剛性調(diào)整法是指調(diào)整之后齒輪側(cè)隙不能自動補償?shù)恼{(diào)整方法，它要求嚴格控制齒輪的齒厚及齒距誤差，否則傳動的靈活性將受到影響。但用這種方法調(diào)整的齒輪傳動有較好的傳動剛度，而且結(jié)構(gòu)比較簡單。在設備改造中應用的配對齒輪側(cè)隙方法是剛 性調(diào)整法。 ⒊ 采用滾珠絲杠代替原滑動絲杠，提高傳動靈敏性 、 降低功率 和 步進電機力矩損失。 溜 板箱 部分 采用數(shù)控系統(tǒng)控制。拆除原 溜 板箱，利用此位置安裝新拖板箱，新拖板箱除固定 在 滾珠絲杠的螺母 上 。掛輪箱、走刀箱拆除，在此兩個位置分別裝控制螺紋加工的主軸脈沖編碼器和拖板軸向伺服元件功率步進電機及減速箱。使改造后的機床外型美觀、合理。改造后機床的啟動、停機均由數(shù)控系統(tǒng)完成，故拆除原機床操縱桿，變向杠、立軸等杠桿零件。 ⒈ 進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電機與齒輪減速箱 ，光杠和 梯型絲 杠拆去 ，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端原來裝軸承座的部分。 ⒉ 橫 溜 板箱部分：將原橫溜板的絲杠 螺母拆 除，改裝橫向進給滾珠絲杠螺母副、橫向進給步進電機與齒輪減速箱 安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。 天津大學成人高等教育本科畢業(yè)設計 (論文 ) 11 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當量、計算切削力滾珠絲杠螺母副的設計、計算 和 選型、齒輪傳動計算、步進電機的計算和選型等。 確定系統(tǒng)的脈沖當量 脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進給量 ,它是衡量數(shù)控機床加工精度的一 個基本參數(shù)。因此 ,脈沖當量應根據(jù)機床精度的要求來確定。在CA6140 的技術(shù)參數(shù)中， 橫向脈沖當量 fp 為 （ 直 徑） 。 車削抗力分析 和滾珠絲杠副的特點 ⒈ 車削抗力分析 車削外圓時的切削抗力有 Fx、 Fy、 Fz， 如圖 31。 主切削力 Fz，主運動 切削速度方向 的分力 ， 是最大的一個分力，它消耗了切削總功率的 95%左右， 是 確定車床主軸電機切削功率的主要依據(jù) ；切 深抗力 Fy，切深方向的分力 ， 不消耗功率，是造成振動的主要因素， 影響加工精度或已加工表面質(zhì)量 ； 進給抗力 Fx 進給方向的分力，消耗了總功率的 5%左右，它是驗算機床進給系統(tǒng)主要零、部件強度和剛性的依據(jù)。 [11] 圖 31 車削合力及分力 ⒉ 滾珠絲杠副的特點 滾珠絲杠副具有和滾動軸承相似的特征。與滑動絲杠副或液壓缸傳動相比，有以下主要特點： 1) 傳動效率高 滾珠絲杠的傳動效率可達 85%~98%，為滑動絲杠副的 2~4倍，由于滾珠絲杠副的傳動效率高，對機械小型化，減少啟動后的顫動和滯后時間以及節(jié)約能源等方面，都具有重要意義。 2) 運動平穩(wěn) 滾珠絲杠副在工作過程中摩擦阻力小，靈敏度高，而且摩擦CA6140 普通車床 橫向 進給機構(gòu) 的數(shù)控化改造 12 系數(shù)幾乎與運動速度無關(guān)，啟動摩擦力矩與運動時的 摩擦力矩的差別很小。所以滾珠絲杠副運動平穩(wěn)，啟動時無顫動，低速時無爬行。 3) 傳動可逆性 與滑動絲杠副相比，滾動絲杠副突出的特點是具有運動的可逆性。正逆?zhèn)鲃拥男蕩缀蹩筛哌_ 98%。滾珠絲杠副具有運動的可逆性，但是沒有 像 滑動絲杠副那樣運動具有自鎖性。因此，在某些機構(gòu)中，特別是垂直升降機構(gòu)中使用滾珠絲杠副時，必須設置防止逆轉(zhuǎn)的裝置。 4) 可以預緊 通過對螺母施加預緊力能消除滾珠絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度，但摩擦力矩卻增加不大。 5) 定位精度和重復定位精度高 由于滾珠絲杠副具有傳動效率高，運動平穩(wěn) ，可以預緊等特點，所以滾珠絲杠副在工作過程中溫升較小，無爬行。并可消除軸向間隙和對絲杠進行預緊拉伸以補償熱膨脹，能獲得較高的定位精度和重復定位精度。 6) 同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時驅(qū)動相同的部件和裝置時，由于反應靈敏，無阻滯，無滑移，其啟動的同時性，運行中的速度和位移等，都具有準確的一致性，這就是所謂同步性好。 7) Mjmax 使用壽命長 滾珠絲杠和螺母的材料均為合金鋼，螺紋滾道經(jīng)過熱處理，并淬硬至 HRC5862，經(jīng)磨削達到所需的精度和表面粗糙度。實踐證明，滾珠絲杠副的使用壽命比普通滑動 絲杠副高 5 到 6 倍。 8) 使用可靠，潤滑簡單，維修方便 與液壓傳動相比，滾珠絲杠副在正常使用條件下故障率低，維修保養(yǎng)也極為方便；通常只需進行一般的潤滑與防塵。而在特殊使用場合，如核反應堆中的滾珠絲杠副，可在無潤滑狀態(tài)下正常工作。 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟 ⒈ 型號選擇 1) 最大工作載荷計算 )2(39。 GFFfKFF cvlm ???? （ 31） 式中 ： K 是考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)； f ′是 滑動導軌摩擦系數(shù) ； Fl 是 拖板上的 進給方向載荷 ； 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 。 在正常情況下， K 、 39。f 可取下列數(shù)值： 矩形導軌 K = 39。f = 燕尾形導軌 K = 39。f = 三角形或綜合導軌 K = 39。f =~ 鉆鏜主軸圓導軌 f = 天津大學成人高等教育本科畢業(yè)設計 (論文 ) 13 上 面的 摩擦系數(shù) 39。f 均是指滑動導軌，如果采用帖塑導軌 39。f =~；滾動導軌 39。f =~；靜壓導軌 39。f =。 橫 向切削外圓時 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)驗公式估算： DFz ? （ 32） 式中 ： Dmax 是車床床身上加工的最大直徑，單位