【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)控車床連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的變頻器容量 (kVA)計(jì)算式如下： MCNMMCNMCNkIIIkUPkPP?????3103cos?? 式中 PM——負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率； η——電動(dòng)機(jī)的效率 (通常約 O． 85)； cosφ——電動(dòng)機(jī)的功率因素 (通常約 O． 75) MU——電動(dòng)機(jī)的電壓， 380V； MI——電動(dòng)機(jī)工頻電源時(shí)的電流，為 15． 4A； k——電流波形的修正系數(shù) (PWM方式時(shí)取 1． 051． 10)； PCN——變頻器的額定容量， kVA； ICN——變頻器的額定電流， A； 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) 由以上公式可得：? ?? ?? ?AkIIk V AIkUPk V AkPPMCNMMCNMCN o s33????????????????????? 選擇變頻器時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足以上三個(gè)等式的關(guān)系。綜合以上分析計(jì)算，確定選用三菱 FRA540系列變頻器，具體型號(hào)為 FRA5407． 5KCH。 (1) 用低摩擦高精度的傳動(dòng)元件：如滾珠絲杠螺母副，滾動(dòng)導(dǎo)軌。 (2) 采 用消隙齒輪減小傳動(dòng)間隙 。 為了使改造后的數(shù)控車床能自動(dòng)加工螺紋，須配置主軸脈沖編碼器作為車床主軸位置信號(hào)的反饋元件，其目的是用來檢測主軸轉(zhuǎn)角的位置，通過主軸 — 脈沖編碼器 — 數(shù)控系統(tǒng) — 步進(jìn)電機(jī)的信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀 架縱向移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程的車螺紋運(yùn)動(dòng)。 主軸脈沖編碼器的安裝，通常采用兩種方式：一種是同軸安裝，另外一種是異軸安裝。同軸安裝的結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是安裝后不能加工穿入車床主軸孔的零件，限制了工件的加工長度，而異軸安裝不會(huì)遇到這種問題，因此，異軸安裝較合適。主軸通過主軸箱中Ⅵ軸和Ⅸ軸的 58／ 58及Ⅸ軸和Ⅹ軸的 33／ 33兩級(jí)齒輪 (實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比 1： 1)把動(dòng)力傳遞給掛輪軸 X，如圖 2 24所示，主軸脈沖編碼器 1通過支架2固定，并通過聯(lián)軸器 3與悶頭 4相連，悶頭 4通過過盈配合與主軸箱內(nèi) X軸連接。 C6132主軸轉(zhuǎn)速范圍是 20~2021 r/min，可以選擇歐姆龍 E6B2CWZ6C型光電脈沖編碼器，其允許的最高轉(zhuǎn)速為 6000r/ min，所以滿足設(shè)計(jì)要求。 橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)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，不需潤滑。結(jié)構(gòu)簡單，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)。 齒輪傳動(dòng)間隙的消除 齒輪傳動(dòng)初定傳動(dòng)比為 2，可取 Z1=24 則 Z2=48,齒寬 B=，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) ,從而影響其驅(qū)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)的驅(qū)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) 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) （ 1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找的同步軸，安裝螺紋編碼器。 （ 2）拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與同步帶減速箱總成。 （ 3）拆除溜板箱總成與快刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座和螺母座墊架。 （ 4）拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四位工位立式電動(dòng)機(jī)刀架。 （ 5）拆除橫溜板下的滑動(dòng)絲杠螺母副，將滑動(dòng)絲杠靠刻度盤一段（見圖一）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個(gè)推力軸承，換上滾珠絲杠副。 （ 6）將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過法蘭座安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相連。 （ 7）拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），更換絲桿的右支承。 改造后的橫向、縱向進(jìn)給傳給系統(tǒng)見圖一、圖二。 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件總體設(shè)計(jì) 為了使數(shù)控系統(tǒng)能夠長期、可靠、方便地在工業(yè)環(huán)鏡中運(yùn)行，在制定 數(shù)控系統(tǒng)總體方案時(shí)必須重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面。 (1) 加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。影響數(shù)控系統(tǒng)可靠性的因素很多，硬件規(guī)模 和硬件的制造工藝水平往往是影響可靠性的關(guān)鍵因素。因此，應(yīng)選用高性 能的 CPU作為系統(tǒng)的運(yùn)算和控制 核心，并盡量用軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的功 能。在系統(tǒng)的具體硬件構(gòu)成上，選用可靠性高的工控 PC作為數(shù)控系統(tǒng)硬 件平臺(tái)，減少自制硬件數(shù)量。此外，在軟件設(shè)計(jì)、電源選用、接插件設(shè)計(jì) 與選用、接地與屏蔽設(shè)計(jì)等方面采用強(qiáng)抗干擾、高可靠性的設(shè)計(jì)，從而全 面提高系統(tǒng)的可靠性。 (2) 提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度。數(shù)控系統(tǒng)的控制精度是保證機(jī)床加 工精度的關(guān)鍵。因此，它在數(shù)控系統(tǒng)中處于重要位置。如提高數(shù)控系統(tǒng)的 最小分辨率，使用高精度的步進(jìn)電機(jī)，采用高速高精度插補(bǔ)算法，提高軌跡生成精度 。增強(qiáng)位置環(huán)控制能力 。增加補(bǔ)償功能等。 (3) 提高使用方便性 。提高數(shù)控編程的方便性，是提高數(shù)控系統(tǒng)使 用方便性 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) 的關(guān)鍵。因此，數(shù)控系統(tǒng)除提供全屏幕編輯進(jìn)行手工編程外，還 應(yīng)該配置自動(dòng)編程系統(tǒng)，從而大大提高數(shù)控編程的速度和智能化程度，大大方便普通用戶的使用。另外，因?yàn)楝F(xiàn)代工人都比較熟悉個(gè)人計(jì)算機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)在操作方面應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)鍵盤或與其兼容的薄膜鍵盤等輸入設(shè)備，也可用軟盤、移動(dòng)磁盤、串行通訊、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等輸入零件程序。此外，數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置仿真功能，便于用戶在加工前檢查零件程序的正 確性。 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)由工控 PC硬件平臺(tái)、數(shù)控操作面板 (包括 LCD顯示器，鍵盤 )、數(shù)控接口板卡 (工 /0板， D/A板 )和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。 PC硬件平臺(tái)包括工控電源、無源母板、工控 PC主板和軟盤驅(qū)動(dòng)器、硬盤 驅(qū)動(dòng)器等。數(shù)控操作面板上有液晶顯示器和薄膜鍵盤等。數(shù)控接口板卡是計(jì)算機(jī)與外部執(zhí)行裝置間進(jìn)行信息交換和轉(zhuǎn)換的通道，對(duì)內(nèi)通過無源母板 與工控 PC主板相連，對(duì)外通過屏蔽電纜與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置相連接。 該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行環(huán)節(jié)包括四個(gè)子系統(tǒng) :進(jìn)給軸控制與驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng) 。主軸控制與驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng) 。開關(guān)量控制系統(tǒng)。 主軸控制與驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的功能包括兩方面 :主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)速控制，以 滿足寬范圍切削速度的要求 。主軸轉(zhuǎn)角的精 確控制，以滿足加工螺紋時(shí)的主軸與進(jìn)給軸的聯(lián)動(dòng)控制和換刀時(shí)的主軸精確定位控制要求。 開關(guān)量控制系統(tǒng)完成機(jī)床的邏輯順序運(yùn)動(dòng)控制，如主軸起停控制、刀具交換、工件裝夾、冷卻開關(guān)、行程保護(hù)等任務(wù)。開關(guān)量控制系統(tǒng)與其它 模塊相配合，共同完成機(jī)床工作過程的控制。 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 數(shù)控系統(tǒng)軟件為實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各任務(wù)在數(shù)控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制下協(xié)調(diào)進(jìn)行。 (1) 數(shù)控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是數(shù)控系統(tǒng)軟件中的核心子系統(tǒng)，它對(duì) 系統(tǒng)中的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)各任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，協(xié)調(diào)各模塊的高效 運(yùn)行，并輔助完成各任務(wù)間的通訊和 信息交換。 (2) 信息預(yù)處理。該模塊完成輸入信息譯碼，完成軌跡插補(bǔ)前的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和刀補(bǔ)運(yùn)算。 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) (3) 軌跡插補(bǔ)。它是數(shù)控系統(tǒng)的核心模塊，其任務(wù)是根據(jù)信息預(yù)處理給出的希望軌跡和從檢測裝置獲得的實(shí)際軌跡信息，實(shí)時(shí)生成機(jī)床各坐 標(biāo)軸的移動(dòng)指令，并完成機(jī)床運(yùn)動(dòng)的加減速控制。 (4) 運(yùn)動(dòng)控制。該模塊是數(shù)控系統(tǒng)的另一核心模塊，它根據(jù)插補(bǔ)運(yùn) 算結(jié)果，通過高速算法對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸進(jìn)行高精度位置控制，并完成主軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的控制任務(wù)。 (5) 加工仿真模塊。該模塊以動(dòng)畫方式對(duì)數(shù)控加工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿 真，從而在加工前檢驗(yàn)參數(shù)輸入正確性 和機(jī)床運(yùn)動(dòng)合理性 第三章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 縱、橫向進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型主要包括：確定脈沖當(dāng)量、計(jì)算切削力、選擇滾珠絲桿螺母副、設(shè)計(jì)減速箱、選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求， X 方向（橫向）的脈沖當(dāng)量為δ x=∕ 脈沖， Z 方向（縱向）為δ z=∕ 脈沖。 縱向切削力的詳細(xì)計(jì)算過程。 設(shè)工件材料為碳素機(jī)構(gòu)鋼，σ b=650MPa。刀具材料為硬質(zhì)合金 YT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角 060rK ? ，前角γ 0=100，刃傾角λ s=－ 50；切削用量為： pa =3mm背吃刀量，進(jìn)給量 f=∕ r，切削速度 cv =105m∕ min。 查表 101，得： FCG =2795， xFC =， FCy =， FCn =﹣ 。 查表 103，得：主偏角 Kr 的修正系數(shù) krFCK =；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為 。 由經(jīng)驗(yàn)公式（ 102），算得主切削力 acF =。由經(jīng)驗(yàn)公 cF ： Ff ： pF =1：： ，算得縱向進(jìn)給切削力 Ff=，背向力 pF =。 （縱向） 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) （ 1）工作載荷 F 的計(jì)算 已知移動(dòng)部件總重量 G=1300N；車削力 cF =，pF =， Ff= 。如圖 1020 所示，根據(jù) zF = cF ，yF = pF， xF =Ff 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可得： zF = ，yF =， xF =。 選用矩形－三角形組合滑動(dòng)導(dǎo)軌，查表 1029，得 K=， μ = 代人 Fm=KFX ＋ μ （ zF ＋ G） ，得工件載荷 F≈ 1712N。 （ 2）最大動(dòng)載荷 FQ 的計(jì)算 設(shè)本車床 Z 向在承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度 v=∕ min，初選絲桿基本導(dǎo)軌 Ph=6mm，則此時(shí)絲桿轉(zhuǎn)速n=1000v∕ Ph ≈ 133r∕ min。取滾珠絲桿的使用壽命 T=15000h，代入 L0=60nT∕ 106，得絲杠壽命 L0=。查表 1030，取載荷系數(shù) fm=、硬質(zhì)系數(shù) Hf =1，代入式（ 1023），求得最大動(dòng)載荷0 W H mL f f F 8 7 0 3QFN??。 （ 3）初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算的最大動(dòng)載荷，查表 1034，選擇啟東潤澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的 FL4006 型滾珠絲桿副。其公稱直徑為 32mm，基本導(dǎo)程為 6mm，雙螺母滾珠總?cè)?shù)為 3 2=6圈，精度等級(jí)取 4級(jí)，額定動(dòng)載荷為 13200N，滿足要求。 （ 4）傳動(dòng)效率η的計(jì)算 將公稱直徑 d0=40mm，基本導(dǎo)程 Ph=6mm，代入 λ =arctan [Ph∕ (π d0)]，得絲桿螺旋升角 λ =2044＇ ，將摩擦角 φ =10＇ ，代入η =tanλ∕ tan(λ +φ )，得傳動(dòng)效率 η =﹪ 。 （ 5）剛度的計(jì)算 ① Z 向滾珠絲桿副的支承，采用一端軸向固定，一端簡支的方式，見圖二。固定端采用一對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配。絲杠加上兩端接桿后，左、右支承的中心距離約為 a=1497mm；鋼的彈性模量 E= 105MPa；查表 1034，得滾珠直徑 wD =，算得絲杠底徑 d2=公稱直徑 d0－ 滾珠直徑 wD 則絲杠截面積 S=π d22∕ 4=。 忽略式（ 1025）中的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷 Fm作用下產(chǎn)生的拉 ∕ 壓變形量 δ 1= maF ∕ (ES) ≈ 。 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) ②根據(jù)公式 Z=（ π d0∕ wD ）－ 3，求的單圈滾珠數(shù)目 Z=29；該型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠總?cè)?shù)為 3 2=6，則滾珠總數(shù)量 Z∑ =29 6=174。滾珠絲桿預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力 FYJ=Fm∕ 3≈ 571N；則由式（ 1027），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 δ 2=。 因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的 1/3，所以實(shí)際變形量可減小一半，取 δ 2=。 ③ 將 以 上 計(jì) 算 的 δ 1 和 δ 2 代入 δ 總 ， 求 得 絲 杠 總 變 形 量 δ 總== m。由表 1027 知，四級(jí)精度滾珠絲杠任意 300mm 軸向行程內(nèi)行程的變動(dòng)量允許 16μ m，而對(duì)于跨度為 1497mm 的滾珠絲杠，總的變形量 δ 總 只有 m，可見絲杠剛度足夠。 （ 6）壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（ 1028）計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷 kF ，查表 1031，取支承系數(shù) kf =2；由絲杠底徑 d2=，求得截面慣性矩 I=π d24≈