【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的改造 C6140 型普通車(chē)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)都由主軸電機(jī)控制，而改造后的車(chē)床則把主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分離開(kāi)。分別由各自的步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制，但是為保證車(chē)床在車(chē)螺紋時(shí)主傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 之間的聯(lián)系，所以在拆掉進(jìn)給系統(tǒng)的同時(shí)，必須在主軸上安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器，來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸傳動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系。同時(shí)，為了提高機(jī)床的精度和效率，用滾珠絲杠來(lái)代替原機(jī)床的光杠，并且采用單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制。這樣不僅提高了機(jī)床的性能和精度，還提高了機(jī)床的使用性能。 圖 21 數(shù)改 C6140車(chē)床總體方案示意圖 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 12 齒輪圖22 車(chē) 螺紋及控制電路80 86PID光電隔離電路主軸脈沖發(fā)生器主軸 1. 機(jī)械部分的改造 首先拆去進(jìn)給箱、溜板箱；還要對(duì)車(chē)床的床鞍進(jìn)行部分的改造，拆去縱向小拖板、 橫向拖板的絲杠換成滾珠絲杠，并且由一端驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制。 2. 刀架的改造 C6140 普通車(chē)床的刀架不能滿足數(shù)改后的車(chē)床的性能和精度的要求。所以，必須要 換成數(shù)控自動(dòng)刀架。 主軸脈沖發(fā)生器 由于 C6140 普通車(chē)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)的精度及其靈活性基本滿足數(shù)改后車(chē)床精度的要求。改造后的車(chē)床既需要考慮一定的技術(shù)要求，以實(shí)現(xiàn)造價(jià)低廉、 經(jīng)濟(jì)方便的要求。所以在改造時(shí)，仍然保留原有的主傳動(dòng)系統(tǒng)，只是為了在車(chē)螺紋時(shí)保證主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系，在原床頭 X 軸輸出端上安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器，發(fā)生脈沖以使步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而完成車(chē)削螺紋的動(dòng)作，其車(chē)螺紋的控制電路如圖 2— 2 所示： C6140 普通車(chē)床在加工螺紋時(shí)，為了得到符合加工要求的螺距， 就必須保證主軸和進(jìn)給之間的聯(lián)系。但是，在數(shù)改后的車(chē)床上，由于主軸的運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之間沒(méi)有機(jī)構(gòu)上的直接聯(lián)系，為了變成這些功能，就設(shè)置了主軸脈沖發(fā)生器，發(fā)出脈沖以使步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，這樣既可以解決了主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車(chē)刀進(jìn)給一個(gè)螺距的動(dòng)作的問(wèn)題，進(jìn)而在單片機(jī)系統(tǒng)的控制下，保證這種聯(lián)系的順利完成。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 13 主軸脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及原理 圖 2— 3 主軸脈沖發(fā)生器示意圖 脈沖發(fā)生器的組成部分包括白熾燈、聚光鏡、光柵盤(pán)、光闌板、光敏管及其光電整形放大電路組成。光柵盤(pán)和光闌板都 是玻璃材料制成，玻璃表面經(jīng)過(guò)研磨拋光后用鍍膜法鍍上一層不透光的鉻層，透光條及用照相腐蝕法制成。在光柵盤(pán)上刻有明暗條紋，有單條和 1024 個(gè)條兩組。當(dāng)平行光束經(jīng)過(guò)光柵盤(pán)時(shí)，在光柵盤(pán)的另一面就產(chǎn)生明暗光帶，這光帶通過(guò)一個(gè)光闌狹縫，照在對(duì)應(yīng)的光敏管上，從而產(chǎn)生光電脈沖信號(hào)，經(jīng)斯密特電路整形后輸出。單條紋的一組產(chǎn)生同步脈沖，每轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)脈沖； 1024 條紋的一組通過(guò)光欄上兩個(gè)相位差 π /4 間距的狹縫，產(chǎn)生兩組每轉(zhuǎn) 1024 個(gè)脈沖組相差為π /4 的脈沖序列，供給微機(jī)處理，借以 判斷主軸正、反轉(zhuǎn)，且可以從 1024 個(gè)脈沖中均勻地取出 F 個(gè)脈沖，作為中斷信號(hào)控制插補(bǔ)速度，實(shí)現(xiàn) F 進(jìn)給控制的目的。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 14 第 3 章 數(shù)改 C6140 自動(dòng)刀架設(shè)計(jì) 在零件的加工制造過(guò)程中，大量的時(shí)間用于更換刀具，裝卸、測(cè)量和搬運(yùn)零件等非切削時(shí)間上，切削加工時(shí)間僅占整個(gè)工時(shí)中較小的比例。數(shù)控機(jī)床要提高效率的重要內(nèi)容之一，就是要縮短非切削時(shí)間。為此，近年來(lái)帶有自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床（加工中心）得以迅速的發(fā)展。自動(dòng)換刀裝置已廣泛用于各種多工序數(shù)控機(jī)床，臺(tái)鏜床、銑床、車(chē)床及組合機(jī)床等。使用這種裝置，不僅提高了機(jī)床的生產(chǎn) 效率，擴(kuò)大了單功能數(shù)控機(jī)床的使用范圍，而且由于零件在一次安裝中完成多工序加工，大大減少了零件安裝定位次數(shù)，從而提高了加工精度。 自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床上，對(duì)自動(dòng)換刀裝置的基本要求是：換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)定位精度高、足夠的刀具存儲(chǔ)量、刀庫(kù)占地面積小及安全可靠等。 自動(dòng)刀架的分類(lèi) 自動(dòng)刀架的設(shè)計(jì) 從自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的工作原理可知，這類(lèi)刀架由控制系統(tǒng)直接控制，刀架能自動(dòng)完成抬起、回轉(zhuǎn)、選位、下降、定位和壓緊這樣一系列的動(dòng)作，下面是數(shù)改CA6140 車(chē)床自動(dòng)刀架的工作過(guò)程如下： 當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，通過(guò)平鍵套筒聯(lián)軸器使蝸桿軸 1 轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)蝸輪 2 轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸輪與轉(zhuǎn)軸連接在一起，因此一起轉(zhuǎn)動(dòng)，刀架體 7 的內(nèi)孔加工有螺紋，與轉(zhuǎn)軸連接在一起的絲杠套 5 外圈有螺紋。當(dāng)蝸輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于刀架底座 3 和刀架體 7 上的端面齒處在嚙合狀態(tài)，且絲杠套軸向固定，因此這時(shí)刀架體 7 抬起。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 15 當(dāng)?shù)都荏w抬至一定距離后，端面齒脫開(kāi)，轉(zhuǎn)位套 8 用銷(xiāo)釘與絲杠套聯(lián)接，隨轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)端面齒完全脫開(kāi)時(shí)，轉(zhuǎn)位套正好轉(zhuǎn)過(guò) 60 度，球頭銷(xiāo) 11 在 彈簧力的作用下進(jìn)入轉(zhuǎn)位套 8 的槽中，帶動(dòng)刀架體轉(zhuǎn)位。 刀架體 7 轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到程序指定的刀號(hào)時(shí)，粗定位銷(xiāo) 4 在彈簧的作用下進(jìn)入刀體底座的粗定位盤(pán)的槽中進(jìn)行粗定位，同時(shí)霍爾開(kāi)關(guān)發(fā)出電機(jī)反轉(zhuǎn)的指令，使電機(jī)反轉(zhuǎn)。由于粗定位銷(xiāo)的限制，刀架體 7 不能轉(zhuǎn)動(dòng)，使其在該位置垂直落下，刀架體 7 和刀架底座 3 上的端面齒嚙合實(shí)現(xiàn)精確定位。 電動(dòng)機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)蝸輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿軸 1 自身轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)兩端面齒增加到一定夾緊力時(shí)，電動(dòng)機(jī) 1 停止轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了夾緊。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 16 圖 4— 1 自動(dòng)轉(zhuǎn)位六方刀架 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 17 第 4 章 數(shù)改 6140 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的工作方式 步進(jìn)電機(jī)的工作方式和一般電機(jī)的不同，是采用脈沖控制方式工作的。只有按一定的規(guī)律對(duì)各相繞組輪流通電，步進(jìn)電機(jī)才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床中采用的功率步進(jìn)電機(jī)有三相、四相、五相、和六相等。工作方式有單 m 拍，雙 m 拍、三m 拍及 2 m 拍， m 是電機(jī)的相數(shù)。所謂單 m 拍是指每拍只有一相通電，循環(huán)拍數(shù)為 m；雙 m 拍是指每拍同時(shí)有兩相通電，循環(huán)拍數(shù)為 m；三 m 拍是每拍有三相通電，循環(huán)拍數(shù)為 m 拍； 2 m 拍是各拍既有單相通電，也有兩相或三相通電。一般電機(jī)的相數(shù)越多，工作方式越多。 由步距角計(jì)算可知，循環(huán)拍數(shù)越多，步距角越小，因此定位精度越高。另外，通電循環(huán)拍數(shù)和每拍通電相數(shù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性、穩(wěn)定性等都有很大的影響。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)也對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能有很大影響。為提高步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、工作頻率和穩(wěn)定性，可選用多相步進(jìn)電機(jī)，并采用 2 m 拍工作方式。 （一）步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則 合理選用步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問(wèn)題，需要根據(jù)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，經(jīng)過(guò)分析后才能正確選擇。現(xiàn)僅就選用 步進(jìn)電機(jī)最基本的原則介紹如下： （ 1）步距角 ? 步距角應(yīng)滿足： mnai?? ； 式中： i —— 傳動(dòng)比； mna —— 系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件的最小轉(zhuǎn)角。 （ 2） 精度 步進(jìn)電機(jī)的精確可用步距誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 18 置開(kāi)始，經(jīng)過(guò)任意步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值 ，用積累誤差衡量精度比較實(shí)用。所選用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足： ? ?Qi?? ? ? 式中： m?? —— 步進(jìn)電機(jī)的積累誤差； ? ?s?? —— 系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差。 （ 3） 轉(zhuǎn)距 為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行（不失步、不越步），正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮： （ 4） 啟動(dòng)力矩 一般啟動(dòng)力矩選取為： ? 式中： qM —— 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩； 0LM —— 電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載力矩。 在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力矩與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）引起的慣性矩之和。 （ 5）啟動(dòng)頻率 由于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足： t op mff????? 式中： tf —— 極限啟動(dòng)頻率； opmf?