【導(dǎo)讀】床數(shù)控化率不到3%。近10年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為～萬(wàn)臺(tái)，年產(chǎn)值約。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6%。國(guó)和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占60%以上）?？梢?jiàn)我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。通過(guò)搜集資料、實(shí)踐研究等方法對(duì)機(jī)床就行改造即是用較少。的成本去創(chuàng)造更高的價(jià)值。而這也將極大的推動(dòng)中國(guó)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐證明普通機(jī)床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和穩(wěn)定性。度,而且能提高加工精度和表面質(zhì)量。的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)及配套部件改造現(xiàn)有的普通機(jī)床的技術(shù)條件已經(jīng)成熟。來(lái)說(shuō)是十分理想的選擇。格僅為全功能裝置的1/3到1/5。構(gòu)、潤(rùn)滑密封件等組成。向移動(dòng)，從而帶動(dòng)刀具縱向移動(dòng)，用來(lái)車(chē)外圓、鏜內(nèi)孔等。帶動(dòng)刀具斜進(jìn)給，用來(lái)車(chē)削內(nèi)外短錐面。尾座可橫向作少量的調(diào)整，用于加工小

　　

【正文】 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 ： J=J1 + 220122( ) ( ) ( )2S LZ WJJZG ????????? =+ ( 221 5 6 0 0 0 . 5) 4 4 6 1 2 6 ) ( )3 0 9 . 8 2 3 . 1 4??? ? ? ??????= 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇 機(jī)床在不同的共況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同， (1) 快速空載起動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩 是： 將已知數(shù)據(jù)代入， m a xm a x 0 1 2 0 0 0 . 7 53 6 0 0 . 0 0 5 3 6 0bpvn ?? ? ? ??=500r/min 考慮了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以后，傳動(dòng)系統(tǒng)折算的電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J總 =JM +J=10+ = Mamnx 2m a x2 1 0 1 2 460 anJ t? ?? ? ? ? ?總 2m a x2 1 0 1 2 460 anJ N c mt? ?? ? ? ? ?總 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩 /0 0 021() ( 2808 600) 2 2 22 CfF L f F W LMZiZ?? ???? ? ? ?? ? ???= 附加摩擦力矩 /2 2 2000 0 0210. 04 ( 28 08 60 0) 0. 6( 1 ) ( 1 ) ( 1 0. 9 )2 2 3. 14 0. 8 22 mFp oL f F LMZiZ???? ???? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? = 則 M起 =Mamax +Mf +M0 =++= （ 2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 M快 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系 畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì) 25 M快=Mf +M= + = （ 3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 M切 0ftM M M M? ? ?切=Mf +M+ 1 4 0 4 0 . 52 5 . 1 0 . 7 . 5 6 . .2 2 0 . 8 2N c m N c m N c mi? ? ? ?? ? ? ??toFL=.cm+ += 從上面計(jì)算看出 M起、 M快、 M切三種情況下，以最大切削負(fù)載時(shí)所需轉(zhuǎn)矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的依據(jù)。 查資料得，步進(jìn)電機(jī)為五項(xiàng)十帕?xí)r，m ax 51qjMM? ?? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 maxjM = 1 0 2 .5 4 1 0 7 .8 2 .0 .9 5 1 0 .9 5 1M N c m??起 其次最大靜力矩， 130BF001 型步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距為 .Nm大于所需最大靜力矩，可作為出選型號(hào)。但還得考慮電機(jī)起動(dòng)頻率特性和運(yùn)行矩頻特性。 步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)頻率： m a x1000 1 0 0 0 1 . 2 / m in 4 0 0 06 0 6 0 0 . 0 0 5kpVf m m H z? ?? ? ?? 1000 1 0 0 0 0 . 6 / m in 1 0 0 06 0 6 0 0 . 0 1Se Vf m m H z? ?? ? ?? 電動(dòng)機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為 3000Hz ，最高空載運(yùn)行頻率為 16000Hz 。 由圖 6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)矩頻特性可看出，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)， f 起 =2500HZ 時(shí)，M=100N㎝ .滿(mǎn)足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩，所以必須采取升降速控制（可用軟件實(shí)現(xiàn)） 。 當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，由 150BF002 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性圖 18（ b）知該電動(dòng)機(jī)能滿(mǎn)足要求，根據(jù)上述計(jì)算綜合分析，縱向進(jìn)給系統(tǒng)采用 150BFOO2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能滿(mǎn)足要求。 a) 起動(dòng)矩頻特性 b)運(yùn)行矩頻特性 圖 6 150BF002 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系 畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì) 26 第四 章 主軸及機(jī)床控制系統(tǒng)的改造 第一節(jié) 主軸電機(jī)的改進(jìn) 一、 主軸系統(tǒng)的改進(jìn) 在對(duì) CA6140 主軸的改進(jìn)過(guò)程中 ,主軸系統(tǒng)基本保留 .主軸電機(jī)采用 1PH7 系列 ,采用蘭州電機(jī)廠生產(chǎn)的交流鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為 1PH7 系列。 [1]《機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)》 P5147，配備相應(yīng)的電氣控制設(shè)備?？梢詫?shí)現(xiàn)主軸的正反轉(zhuǎn)，主軸點(diǎn)動(dòng)，主軸電機(jī)的熱保護(hù)功能， 如圖 7 所示 。正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)命令通過(guò)面板操作寫(xiě)在程序中，由 PLC輸出端口控制正轉(zhuǎn)繼電器（ KAZ）或反轉(zhuǎn)繼電器（ KAF），使接觸器 KM1 和 KM2 動(dòng)作，完成主軸的正反轉(zhuǎn)切換，為減小主軸電機(jī)的起動(dòng)電源，使用了 KM KM KM5三個(gè)接觸器來(lái)完成電機(jī)的 Y△切換。為適應(yīng)螺紋加工要求 ，主軸上安裝了編碼器，通過(guò)端口X472 輸入 611UE 反饋到 PLC 單元。熱繼電器（ FR）的一組常開(kāi)觸點(diǎn)接入 X111 輸入點(diǎn)，當(dāng)電機(jī)過(guò)熱時(shí)，熱繼電器（ FR）動(dòng)作，使 有效， PLC 單元產(chǎn)生報(bào)警，并切斷主軸電機(jī)的電源。 第二節(jié) 主軸脈沖編碼器的運(yùn)用 一、主軸脈沖編碼器的概述 脈沖編碼器又稱(chēng)脈沖發(fā)生器，它是一種直接用數(shù)字代碼表示角位移及線(xiàn)位移的檢測(cè)器。能把機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)床上使用廣泛的位置控制裝置。 脈沖編碼器控制方式的特點(diǎn)： 控制方 式是非接觸式的，無(wú)摩擦和磨損，驅(qū)動(dòng)力矩小。 由于光電交換器性能的提高，可得到較快的響應(yīng)速度。 由于照像腐蝕技術(shù)的提高，可以制造高分辨率、高精度的光電盤(pán)，母盤(pán)制作后，圖 7 主軸電機(jī)電氣控制原理圖 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系 畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì) 27 復(fù)制很方便，且成本底。 抗污染能力差，容易損壞。 二、 螺紋加工過(guò)程中編碼器的作用 雖然主軸的轉(zhuǎn)速由機(jī)械控制，但在車(chē)螺紋加工中必須知道主軸轉(zhuǎn)速，根據(jù)主軸計(jì)算進(jìn)給速度。必須在主軸上安裝光電編碼器，光電編碼器通常與主軸直接聯(lián)結(jié)（傳動(dòng)比 1： 1），為保證切削螺紋的螺距準(zhǔn)確，要求主軸轉(zhuǎn)一周工作臺(tái)移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程，必須有固定的起刀點(diǎn)的退刀點(diǎn)。安裝在軸 上的光電編碼器在切削螺紋時(shí)就可解決主軸旋轉(zhuǎn)與坐標(biāo)軸進(jìn)給的同步控制。保證主軸每轉(zhuǎn)一周，刀具準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程。此外，螺紋加工要經(jīng)過(guò)幾次切削才能完成，每次重復(fù)切削時(shí)，開(kāi)始進(jìn)刀的位置必須相同。為了重復(fù)切削不亂牙，數(shù)控系統(tǒng)在接收到光電編碼器的一轉(zhuǎn)脈沖才開(kāi)始螺紋切削的計(jì)算。其傳動(dòng)路線(xiàn)是：主軸 — 齒輪副 — 脈沖編碼器 — 數(shù)控裝置 — 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) — 縱、橫向進(jìn)給。 三、編碼器的選擇 根據(jù)加工精度的要求，選擇了長(zhǎng)春第一光學(xué)儀器廠 leelf 型編碼器（每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為 1200 個(gè)）。 四、安裝步驟 （圖 8所示） 拆下原有掛輪，加工兩只 67 齒和 90齒掛輪 增加一只中間繼電器，由電門(mén)鎖開(kāi)關(guān)來(lái)控制機(jī)床的電源 在電動(dòng)刀架三相電源進(jìn)線(xiàn)外加裝快速熔斷器和熱繼電器（ 25A），保證刀架完全工作。 圖 8 脈沖編碼器的安裝圖 1脈沖編碼器 2同步帶輪 3同步帶 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系 畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì) 28 第三節(jié) 刀架的設(shè)計(jì) 一、改造刀架的目的 CA6140 普通車(chē)床的上帶有手動(dòng)刀架。根據(jù)加工要求和生產(chǎn)情況，對(duì)刀架進(jìn)行改造，提高生產(chǎn)率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工提供前提條件。 二、刀架的選擇 經(jīng)過(guò)比較，選用常州宏達(dá)機(jī)床設(shè)備廠生產(chǎn)的 LD4— C0625 型四工位電動(dòng)刀架。作為 CA6140 車(chē)床的電動(dòng)刀架。可以完 成粗精車(chē)，車(chē)螺紋和切槽（斷）等加工的換刀工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且實(shí)用、如圖所示。刀架的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)由三相微型異步電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)完成。 三、刀架的工作原理 在加工過(guò)程中，選刀時(shí)在程序中輸入被選刀具的的 TXX（刀具號(hào)）和 DXX（刀沿號(hào)）。 PCU 單元通過(guò) PLC 的輸出端口通過(guò) X111 的 接通電動(dòng)刀架的正轉(zhuǎn)繼電器使刀架正轉(zhuǎn)，當(dāng)所選刀具到達(dá)加工位置時(shí)，刀架上的集成霍爾單元?jiǎng)t發(fā)出信號(hào)，通過(guò) PLC輸入端口將 X111 的 ～ 信息傳遞給 PUC 單元結(jié)束選刀。其原理如圖 9 所示 圖中 4四根線(xiàn)分別接電動(dòng)機(jī)的四個(gè)刀位信號(hào)（低電平有效）而 802D 的PLC 輸入是高電平有效，因此使用 KA KA KA KA4 四個(gè) T24V 直流繼電器來(lái)完成高低電平的轉(zhuǎn)換。 四、刀架的工作過(guò)程 1．刀架的動(dòng)作順序：電動(dòng)機(jī)（三相異步微型電動(dòng)機(jī)）→減速機(jī)構(gòu)（蝸輪蝸桿）→上升機(jī)構(gòu)（螺旋機(jī)構(gòu)）實(shí)現(xiàn)刀架抬起→刀架旋轉(zhuǎn)→電器信號(hào)確定（霍爾元件）→電機(jī)反轉(zhuǎn)→粗定位（反靠攏）→刀架下降→精定位→刀架壓緊→換刀終了信號(hào)→執(zhí)行加工程序 圖 9 802D 輸入輸出接線(xiàn)圖 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系 畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì) 29 五、安裝步驟 1．拆下原有手動(dòng)刀架 . 2．在小拖板上鉆四個(gè)安裝孔并公絲 . 3．手動(dòng)抬起電動(dòng)刀架逆時(shí) 針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)使上刀體轉(zhuǎn) 45 度左右時(shí)即可覆出高裝孔，然后固定刀架并用墊板來(lái)調(diào)其中心高度，再轉(zhuǎn)至原狀態(tài)，放下刀架 . 主裝后，適用 MDI 功能換刀觀察三相電源有沒(méi)有接反運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要達(dá)到輕松靈活無(wú)噪音的要求 . 第四節(jié) 機(jī)床導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 機(jī)床導(dǎo)軌的作用 ：是使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件沿一定運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，它是機(jī)床主要基本結(jié)構(gòu)要素之一。機(jī)床的加工精度和使用壽命很大程度上取決于機(jī)床導(dǎo)軌的質(zhì)量。數(shù)控機(jī)床使用的導(dǎo)軌，從類(lèi)型上仍是滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。為提高機(jī)床的伺服進(jìn)給的精度和定位精度，數(shù)控機(jī)床使用導(dǎo)軌都具有較低的摩擦系數(shù)和有利于 消除低速爬行的摩擦特性。 機(jī)床導(dǎo)軌一般分為 ：滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌 機(jī)床對(duì)導(dǎo)軌的要求 （ 1）、導(dǎo)向精度高 導(dǎo)向精度是指機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件沿導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)的直線(xiàn)性和與有關(guān)基面之間的相互位置的準(zhǔn)確性。無(wú)論在空載或切削狀態(tài)下都應(yīng)有足夠的導(dǎo)向精度。影響導(dǎo)軌精度的主要原因除制造精度外，還有導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式、裝配質(zhì)量、導(dǎo)軌及其支承件的剛度和熱變形等。 （ 2）、耐磨性好 導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌在長(zhǎng)期使用過(guò)程中能否保持一定的導(dǎo)向精度。因?qū)к壴诠ぷ鬟^(guò)程中有磨損，故應(yīng)力求減小磨損量，并在磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償或便于調(diào)整。 （ 3）、足夠 的剛度 導(dǎo)軌受力變形會(huì)影響部件之間的導(dǎo)向精度和相對(duì)位置，故要求導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的剛度。為了減輕或平衡外力的影響，數(shù)控機(jī)床常采用加大導(dǎo)軌面的尺寸提高剛度。 （ 4）、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 應(yīng)使導(dǎo)軌的摩擦阻力小，運(yùn)動(dòng)輕便，低速運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象。 （ 5）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好 所設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌應(yīng)使制造和維修方便，在使用時(shí)便于調(diào)整和維護(hù)。 （ 6）、而對(duì)于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌則應(yīng)有更高要求。 高速進(jìn)給時(shí)不振動(dòng)，低速進(jìn)給時(shí)不爬行，有高的運(yùn)動(dòng)靈敏性；能在重載下長(zhǎng)期連續(xù)工作，耐磨性好，精度保持性好等。數(shù)控機(jī)床使用的導(dǎo)軌，從類(lèi)型上仍是滑動(dòng)導(dǎo)軌 、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。為提高機(jī)床的伺服進(jìn)給的精度和定位精度。 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系 畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì) 30 第五節(jié) 坐標(biāo)系的建立 Y、 X、 Z軸的限位和參考返回電路 一、機(jī)床坐標(biāo)系是機(jī)床固有的坐標(biāo)系 ： 它是其它坐標(biāo)系（如工件坐標(biāo)系、編程坐標(biāo)系）的基準(zhǔn) CA6140 車(chē)床的坐標(biāo)原點(diǎn)，M定在卡盤(pán)基座與主軸中心的交點(diǎn)上，如圖 23 所示，數(shù)控系統(tǒng)是通過(guò)檢測(cè)參考點(diǎn)的具體位置來(lái)確定機(jī)床坐標(biāo)系的，我們選用兩個(gè)接進(jìn)開(kāi)關(guān)， X軸方向與 Z軸方向各安裝一個(gè)在床身上，用于建立參考點(diǎn)，當(dāng)移動(dòng)刀架，兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)都有信號(hào)輸出時(shí)，刀架的當(dāng)前位置即為參考點(diǎn) R，測(cè)量 XR 及 ZR，并將它們寫(xiě)入機(jī) 床數(shù)據(jù) 314000（參考點(diǎn)位置值），即可在數(shù)控系統(tǒng)中建立機(jī)床坐標(biāo)系 。 二、 X， Z軸的限位輸入端設(shè)置為負(fù)邏輯 經(jīng)過(guò)分析現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的限位控制電路的缺陷，想出一種新的限位控制方式，既負(fù)邏輯控制。其基本思路是：使用限位行程開(kāi)關(guān)的常閉觸點(diǎn)，當(dāng)限位開(kāi)關(guān)沒(méi)有壓下 I/O點(diǎn)與 24V 斷開(kāi)，機(jī)床限位。這種接法消除因線(xiàn)路開(kāi)路而產(chǎn)生限位失靈現(xiàn)象，提高了限位電路的可靠性。限位輸入端采用負(fù)邏輯需對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改。 采用負(fù)邏輯的輸入方法，這樣有利害、于提高數(shù)控機(jī)床的可靠性和安全性。如果機(jī)床的電路采用傳統(tǒng)的繼點(diǎn)器，接觸器等元件實(shí)現(xiàn) 邏輯功能則不宜采用負(fù)邏輯，因?yàn)樗麜?huì)導(dǎo)致部分繼電器，接觸器處于始終接觸狀態(tài)。這會(huì)造成損耗大，元件升溫，壽命縮短等問(wèn)題，并且元件間機(jī)械接觸，還會(huì)因?yàn)檎饎?dòng)等因素造成誤動(dòng)作?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)其控制邏輯由邏輯電子線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)，不會(huì)出現(xiàn)以上問(wèn)題，本次數(shù)控改造使用的數(shù)控西門(mén)子 802D 數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)負(fù)邏輯輸入要軟件