【文章內(nèi)容簡介】 ，實現(xiàn)不同切削速度的主軸變速；刀架能夠?qū)崿F(xiàn)縱向和橫向的進給運動，并具有在換刀點自動改變四個刀位完成選擇刀具的功能；加工螺紋時，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動一個加工螺紋的螺距或?qū)С獭＿@些內(nèi)容就是數(shù)控化改造后數(shù)控系統(tǒng)需要控制的對象。 數(shù)控機床由機床、數(shù)控系統(tǒng)和外圍技術(shù)三部分組成。普通車床改造的目的是利用數(shù)控系統(tǒng)控制車床自動完成機械加工任務(wù)，提高車床的加工精度和生產(chǎn)效率。在考慮經(jīng)濟型數(shù)控機床改造具體方案時，所遵循的原則是在滿足需要的前提下，對原有車床盡可能減少改動，以降低改成本。改造中需要解決的問題是：將機械傳動的進給和手動控制的轉(zhuǎn)位刀架改造成數(shù)控裝置控制的自動轉(zhuǎn)位刀架和自動進給的數(shù)控加工車床。根據(jù)CA6140A車床的有關(guān)資料，確定總體方案為： 利用數(shù)控系統(tǒng)對輸入的加工程序進行運算處理，發(fā)出的進給指令通過I/O接口輸出給X軸和Z軸步進電機，經(jīng)齒輪減速后，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，由螺母帶動刀架直線移動，從而實現(xiàn)縱向和橫向的自動進給運動。換刀指令通過刀架控制器控制三相電動機實現(xiàn)刀架自動轉(zhuǎn)位功能，由脈沖編碼器協(xié)調(diào)完成螺紋車削功功能。3主要結(jié)構(gòu)的數(shù)控改造方法 數(shù)控系統(tǒng)的改造 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的靈魂，其性能的穩(wěn)定性直接影響零件的加工的尺寸精度、位置精度及操作工人的人身安全。一般的，普通車床數(shù)控改造時，由于需要加工圓錐、圓弧等曲面，需要選擇兩軸聯(lián)動控制的數(shù)控系統(tǒng)。 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC系統(tǒng))是數(shù)控機床的控制核心，隨著機床數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，提高了數(shù)控機床的整體性能，尤其是它的加工精度和生產(chǎn)效率提高得更為顯著，現(xiàn)在，數(shù)控機床已在機械工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。目前市場上流行的數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC、西門子、GSK980TD等都配置有車床數(shù)控系統(tǒng)，能夠勝任車、削加工的大部分工作，并具有價格低廉、可靠性強、功能強大等特點。在對多家數(shù)控系統(tǒng)進行比較后!我們選擇了GSK980TD型數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控機床應(yīng)能長期連續(xù)加工，其數(shù)控系統(tǒng)必須能夠長期無故降連續(xù)運行。為保證機床長期可靠地運行，數(shù)控系統(tǒng)必須有抵抗惡劣環(huán)境的高可靠運行特性。常年的工作考臉證明GSK980TD系統(tǒng)是最可靠的數(shù)控系統(tǒng)之一，它能在一般車間環(huán)境下運行。其工作場地的室溫為045℃，相對濕度75%短時可達95%, ，電網(wǎng)電壓波動為10%15%,經(jīng)對使用中系統(tǒng)的實際統(tǒng)計，比較好地滿足了我國市場的要求。GSK980TD系統(tǒng)之所以有非常高的可靠性，主要源自以下因素： (1)可靠的高質(zhì)量的元器件及良好的老化篩選工藝。 (2)大規(guī)模及超大規(guī)模的專用集成電路芯片：GSK980TD系統(tǒng)采用了許多由富士通公司制造的高度集成的專用功能芯片。 (3)全自動化工廠生產(chǎn)制造：多層印刷板的制板、元件的插裝、焊接、印刷板的檢查、系統(tǒng)的組裝、電機投料、沖片、精鑄、機械加工、裝配、成品的包裝出廠全部為自動化，這就使得在生產(chǎn)過程中避免了外界(人)的不穩(wěn)定因素的干預(yù)。所以產(chǎn)品的一致性好，增加了可靠性。(4)良好的控制軟件設(shè)計：GSK980TD系統(tǒng)經(jīng)過在國內(nèi)各地數(shù)年的運行，積累了豐富的數(shù)據(jù)，因此在軟件設(shè)計時考慮了可能出現(xiàn)的各種故障情況，加入了許多保護和提高可靠性的措施，如開機和狀態(tài)切換時的層層檢側(cè)、過壓、過流、反饋斷線等報警，使得機床運行中出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能及時處理，從而進免了元部件的損壞。 (5)數(shù)字式進給伺服和數(shù)字式主軸驅(qū)動：數(shù)字控制、數(shù)據(jù)的串行傳輸大大提高了運行的可靠性。主軸控制信號的傳送使用光纜，使信號免受外界干擾。主軸控制系統(tǒng)： 主軸采用三相異步電機驅(qū)動由西門子440變頻器US控制，其動力由U、V、W三相電源經(jīng)變頻器US提供，主軸電機的正反轉(zhuǎn)由指令控制經(jīng)PLC輸出再經(jīng)變頻器US控制主軸電機的正反轉(zhuǎn)，主軸電機轉(zhuǎn)速由數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)XS9口直接連到變頻器US控制電機轉(zhuǎn)速，若出現(xiàn)故障，則由變頻器US發(fā)出信號經(jīng)PLC輸入到數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)判斷故障類型在顯示器上報警顯示報警號。 控制原理圖如下： 主軸控制系統(tǒng)原理圖 Z軸進給伺服控制系統(tǒng)： Z軸采用松下伺服電機驅(qū)動由松下伺服模塊控制，其動力由R、S、T三相電源經(jīng)伺服模塊提供，伺服電機控制刀架的Z（縱向）進給與后退（正反轉(zhuǎn)）及進給速度與進給量指令由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出，它們與數(shù)控系統(tǒng)的接口為XS30XS33，若出現(xiàn)故障，則由伺服模塊發(fā)出信號經(jīng)PLC輸入到數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)判斷故障類型在顯示器上報警顯示報警號。 X軸進給伺服控制系統(tǒng)： X軸電機采用雷賽步進電機驅(qū)動，由雷賽伺服模塊控制，其動力由+V1電源經(jīng)伺服模塊提供，步進電機控制刀架的X（橫向）進給與后退（正反轉(zhuǎn)）及進給速度與進給量指令由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出，它與數(shù)控系統(tǒng)的接口為XS30，若出現(xiàn)故障，則由伺服模塊發(fā)出信號經(jīng)PLC輸入到數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)判斷故障類型在顯示器上報警顯示報警號。 刀架控制電路： 刀架電機采用三相異步電機驅(qū)動由繼電器模塊控制，刀架電機控制刀架的換刀（正反轉(zhuǎn)）及轉(zhuǎn)動角度指令由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出，若出現(xiàn)故障，則由PLC發(fā)出信號輸入到數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)判斷故障類型在顯示器上報警顯示報警號。 光柵尺控制電路： 光柵尺通過測量反饋控制刀架進給與后退量的實際尺寸與指令尺寸的誤差大小反饋給數(shù)控系統(tǒng)，若誤差太大超出允許誤差范圍，數(shù)控系統(tǒng)可根據(jù)加工情況進行時時調(diào)整，若出現(xiàn)故障，由系統(tǒng)判斷故障類型并在顯示器上報警顯示報警號。 縱向（Z向）進給系統(tǒng)的改造 改造思路 絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠應(yīng)不低于6級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工?？v向進給系統(tǒng)由伺服電動機經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠絲杠螺母機構(gòu)運動，帶動大拖板左右縱向移動。伺服電動機安裝在縱向絲杠的右端。 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算已知條件： 工作臺重量 W=80(kg)(根據(jù)圖樣粗略估計) 時間常數(shù) t=25（ms） 滾珠絲杠基本導(dǎo)程 P =6（mm） 行程 s=1000（mm） 脈沖當量 δp=步距角 ψ=（mm/脈沖） 快速進給速度 V =4（m/min） (1) 切削力計算 縱切外圓時，車床的切削力Fz可以用下式計算： F = （21） 式中： 為在車床床面上加工的最大直徑(mm)， =21（mm） 則 F =210 =2039(N) 進給抗力Fx和切深抗力可按下列比例分別求出 F ： F ： F = 1 ： ： 則 F =2039=510(N) F = 2039 = (N) (2) 滾珠絲杠設(shè)計計算 ① 實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力 可用下列進給牽引力實際公式計算，對于三角形或綜合導(dǎo)軌機床： f = K F + f′(F + W) （22） 式中： F 、F — X（橫） 、Z（縱）方向上的切削分力，單位為（N） W—移動部件的重量，單位為（N） f ′—導(dǎo)軌上的摩檫系數(shù) K—考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù) 對于三角形或綜合性導(dǎo)軌機床： K = f′= 取f′= = 510 + (2039 + 800) = (N) ② 最大動負載C的計算及主要尺寸初選 滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動載荷C 選用，最大動載荷計算原理與滾珠軸承相似，滾珠絲杠最大C可用下式計算： C = f F （23） 式中： L—工作壽命，單位為10 r ， L= ； n —絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)，n = ； V—最大切削力條件下的進給速度(m/min)，可取最高進給速度的 ～ ； L —絲杠基本導(dǎo)程(mm) ； f —運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，； F —為滾珠絲杠工作載荷(N)。 計算時，可根據(jù)快進速度V 和絲杠最大轉(zhuǎn)速 ，初選一個數(shù)值L ≥1000 ，待剛度驗算后再確定t為額定使用壽命(h)可取t =1500h； V = V = 4 = 2 （m/min） n = 1440 = （r/min） L ≥1000 = =（mm） 取L =6（mm） 則 n= = = 333r/min L= = = 300 (10 r) C= f F = = (N) 初選滾珠絲桿副的尺寸，相應(yīng)的額定動載荷C 不得小于最大動載荷C：C amp。gt。C ，選用內(nèi)循環(huán)滾動螺旋副： D =， d =40mm， C =16300， C =47100，λ=2?4439。， L =6， (3) 傳動效率計算： 滾動絲杠螺紋的傳動效率η為： η= （24） 式中： λ—絲杠螺紋升角，可根據(jù)初選型號查出，λ=176。； —摩檫絲杠副的滾動摩檫系數(shù)f=，其摩檫角約等于10′ 則 η= = (4) 剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精和運動平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠與螺母之間滾道的接觸變形，對縱向變形的影響更 小，可忽略不計，螺母座只要設(shè)計合理，目前占優(yōu)勢的有：接觸角為60的推力角接觸球軸承，可以背靠背或面對面組配，還可以三聯(lián)組配，四聯(lián)組配等，為提高剛度和承載能力。因此，只要滾珠絲杠的剛度設(shè)計得好，軸承的軸夏管內(nèi)接觸變形在此可以不予考慮。 1 絲杠的拉壓變形量 滾珠絲杠應(yīng)計算滿載時拉壓變形量： δ = （25） 式中： δ —在工作載荷作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量(mm)； F —為絲杠的工作載荷(N)。 L—滾珠絲杠在支承間的受力長度(mm)。 E—材料彈性模量，對鋼E=10Mpa。 A—滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面 (mm)， + 號用于拉伸， 號用于壓縮. F = (N) L = 1600 mm E =10 Mpa A= (d D ) 則δ = = =（mm） 2 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ ，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠的長度無關(guān)，有預(yù)緊力時： δ = （26） 式中： D ——滾珠直徑(mm)。 Z ——滾珠總數(shù)量， Z=Z 圓數(shù)列數(shù)。 Z ——圈的滾珠數(shù)，Z=(π )3(內(nèi)循環(huán))。 D ——滾珠絲杠的公稱直徑(mm)。 F ——為預(yù)緊力(N)。 F ——為滾珠絲杠工作載荷(K )。 D = （mm） Z = = 58 F = (N) F = F = 510 = 170 (N) 所以， δ = =（mm） 絲杠的總變形量δ=δ +δ =+amp。lt。 由此可得滾珠絲杠副剛度滿足條件4. 同步帶減速箱的設(shè)計（縱向） 為了滿足脈沖當量的設(shè)計要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時也為了使傳動系統(tǒng)的負載慣量盡可能地減小，傳動鏈中常采用減速傳動。本例中，Z向減速箱選用同步帶傳動，同步帶與帶輪的計算和選型參見第三章第三節(jié)相關(guān)內(nèi)容。設(shè)計同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳遞的功率 ；主動輪轉(zhuǎn)速 和傳動比i；傳動系統(tǒng)的位置和工作條件等。根據(jù)改造經(jīng)驗，C6140車床Z向步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩通常在1525 Nm之間選擇。 今初選電動機型號為130BYG5501，五相混合式，最大靜轉(zhuǎn)矩為20 Nm。該電動機的詳細技術(shù)參數(shù)見表45，運行矩頻特性曲線見圖64。（1） 傳動比i的確定 已知電動機的步距角 α = ，脈沖當量δz= mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程Ph= 6 mm。根據(jù)公式（312）算得傳動比i = 。 （2）主動輪最高轉(zhuǎn)速 由Z向拖板的最快移動速度vzmax=6000mm/min，可以算出主動輪最高轉(zhuǎn)速