CA6140普通車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)

1、CA6140普通車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)摘 要應(yīng)用成熟的數(shù)控技術(shù)理論和成功經(jīng)驗(yàn)，以低廉的成本對(duì)普通舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，可以恢復(fù)甚至提高原機(jī)床的精度，適應(yīng)工業(yè)高速跨越式發(fā)展的要求，為此機(jī)床數(shù)控化改造在國(guó)際國(guó)內(nèi)作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)獲得了很大的發(fā)展。本文以CA6140機(jī)床為研究對(duì)象，對(duì)該機(jī)床進(jìn)行了數(shù)控化改造，主要研究?jī)?nèi)容如下：對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析研究，簡(jiǎn)單了解了數(shù)控化改造過(guò)程中數(shù)控系統(tǒng)的選型，分析研究了CA6140機(jī)床的數(shù)控化改造方案，重點(diǎn)介紹了本課題采用的GSK980TD系統(tǒng)。根據(jù)機(jī)械、動(dòng)力學(xué)及電氣設(shè)計(jì)原理，采用交流變頻電機(jī)變頻調(diào)速，對(duì)數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和校核。根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)的要

2、求，對(duì)切削力和滾珠絲杠進(jìn)行了計(jì)算，并選配了合適的齒輪和進(jìn)給電機(jī)。對(duì)CA6140車(chē)床電氣控制部分進(jìn)行了PLC設(shè)計(jì)，繪制了主軸及伺服系統(tǒng)的梯形圖，編制了PLC可編程控制器工作程序；給出整機(jī)電氣線路改造方案。對(duì)改造后的機(jī)床精度進(jìn)行了恢復(fù)，并給出伺服系統(tǒng)典型部件改造方案。數(shù)控化改造后的機(jī)床實(shí)際應(yīng)用效果良好，取得了良好的加工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。此次研究，為企業(yè)技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)CA6140型車(chē)床數(shù)控化改造提供了行之有效的科學(xué)方法，對(duì)于企業(yè)其他傳統(tǒng)設(shè)備的技術(shù)改造也有借鑒和參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：數(shù)控改造；伺服系統(tǒng)；PLC；CA6140車(chē)床目錄緒論1.1數(shù)控機(jī)床改造的背景和意義1.1.1數(shù)控機(jī)床在我國(guó)發(fā)展的現(xiàn)狀1.1.

3、2車(chē)床數(shù)控化改造的意義1.1.3普通車(chē)床數(shù)控化的優(yōu)點(diǎn). 1.2 車(chē)床數(shù)控化改造的內(nèi)容 1.3機(jī)床數(shù)控化改造的必要性. 2.車(chē)床數(shù)控改造的構(gòu)思與方案- 2.1改造的任務(wù)-2.2 改造方案的論證-2.3 改造方案的確定-3主要結(jié)構(gòu)的數(shù)控改造方法- -3.1 數(shù)控系統(tǒng)的改造-3.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造- -3.3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造-3.4 刀架的選擇-3.5 主軸傳動(dòng)系統(tǒng) -3.6滑動(dòng)導(dǎo)軌副的改造. 3.7編碼器.- -4 光柵尺安裝與調(diào)試- -4.1 光柵尺的安裝- -4.2 光柵尺的校正- -5 參考點(diǎn)的建立- -6.安全防護(hù). - -7普車(chē)數(shù)控改造的經(jīng)濟(jì)評(píng)估- -8 總結(jié)-緒論 隨著社會(huì)生產(chǎn)

4、和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高。產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷加快。因此對(duì)機(jī)床不僅要求具有較高的精度和生產(chǎn)率，而且應(yīng)能迅速地適應(yīng)產(chǎn)品零件的變換，生產(chǎn)的需要促使了數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生。數(shù)控機(jī)床是指機(jī)床的操作命令以數(shù)值數(shù)字的形式描述工作過(guò)程按規(guī)定的程序自動(dòng)進(jìn)行的機(jī)床。隨著微電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床迅速地發(fā)展起來(lái)。盡管數(shù)控機(jī)床可以較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批量多品種零件的加工問(wèn)題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率。但是目我國(guó)在役機(jī)床總量約萬(wàn)臺(tái)，其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有萬(wàn)多臺(tái)，數(shù)控機(jī)床占有率不足，而一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家早已達(dá)到以上（。我國(guó)是制造大國(guó)，但不是制造強(qiáng)國(guó)。機(jī)械制造業(yè)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家

5、相比相對(duì)落后，設(shè)備陳舊，技術(shù)水平差距大，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力弱，影響了生產(chǎn)力的發(fā)展。逐步提高數(shù)控機(jī)床的占有率已經(jīng)成為我國(guó)制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。提高機(jī)床數(shù)控率有兩個(gè)途徑：一是增加新的數(shù)控機(jī)床，價(jià)格昂貴，一次性投資大，目前各企業(yè)均有大量的普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床替代是根本不可能的；二是對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。我國(guó)是一個(gè)機(jī)床擁有量極大的國(guó)家，但大部分機(jī)床服役齡較長(zhǎng)，采取對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行改造來(lái)提高設(shè)備的先進(jìn)性和數(shù)控化率，是一個(gè)極其有效和實(shí)用的途徑，是企業(yè)必走之路。制造技術(shù)和自動(dòng)化水平的高低己成為一個(gè)國(guó)家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，而其中最具代表性的就是數(shù)控機(jī)床。我國(guó)現(xiàn)正處于從以勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)為主向以技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)

6、為主的發(fā)展階段，對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的需求會(huì)越來(lái)越大、越來(lái)越積極。利用現(xiàn)有普通車(chē)床，通過(guò)數(shù)控化改造，使其成為一臺(tái)高效、多功能的數(shù)控車(chē)床，是一種盤(pán)活資金的有效途徑，也是低成本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的行之有效的方法。因?yàn)橐环矫嫖覈?guó)普通車(chē)床保有量大，要將普通車(chē)床淘汰掉是不經(jīng)濟(jì)、也不現(xiàn)實(shí)的做法；另一方面，從我國(guó)目前生產(chǎn)狀況來(lái)看，仍然以生產(chǎn)普通車(chē)床為主，普通車(chē)床的數(shù)控化改造將會(huì)長(zhǎng)期存在，并會(huì)不斷的發(fā)展。 1.1 數(shù)控機(jī)床改造的背景和意義1.1.1數(shù)控機(jī)床在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)是世界上機(jī)床產(chǎn)量最多的國(guó)家，但在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中仍處于較低水平；即使國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì),一方面國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)各類機(jī)床產(chǎn)品特別是數(shù)控機(jī)床有大量的需求,而

7、另一方面卻有不少國(guó)產(chǎn)機(jī)床滯銷積壓,國(guó)外機(jī)床產(chǎn)品充斥市場(chǎng)。90年國(guó)外數(shù)控機(jī)床在我國(guó)市場(chǎng)的占有率僅達(dá)15%左右,而95年已達(dá)77%。嚴(yán)重影響我國(guó)數(shù)控機(jī)床自主發(fā)展的勢(shì)頭。這種現(xiàn)象的出現(xiàn),除了有經(jīng)營(yíng)上、產(chǎn)品制造質(zhì)量上和促銷手段上等原因外,一個(gè)主要的原因是我國(guó)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床品種、性能和結(jié)構(gòu)不夠先進(jìn),新產(chǎn)品(包括基型、變型和專用機(jī)床)的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng),從而不能及時(shí)針對(duì)用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。具體地說(shuō),這個(gè)問(wèn)題反映在下列五個(gè)方面: (1) 我國(guó)機(jī)床廠目前開(kāi)發(fā)基型產(chǎn)品的周期約為1518個(gè)月,其中設(shè)計(jì)時(shí)間約為58個(gè)月,占總周期的40%左右。而國(guó)外一些先進(jìn)機(jī)床廠同類基型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期為69個(gè)月,其中設(shè)計(jì)約1.52個(gè)

8、月,只占25%。因此無(wú)論是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的總周期還是設(shè)計(jì)所占的時(shí)間比例均與國(guó)外先進(jìn)水平有很大的差距。 (2) 我國(guó)工廠由于缺乏設(shè)計(jì)的科學(xué)分析工具(如分析和評(píng)價(jià)軟件、整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析方法以及機(jī)床性能測(cè)試裝置等),自行開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品大多基于直觀經(jīng)驗(yàn)和類比設(shè)計(jì),使設(shè)計(jì)一次成功的把握性降低,往往需要反復(fù)試制才能定型,從而可能錯(cuò)過(guò)新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的良機(jī)。 (3) 用戶根據(jù)使用需要,在訂貨時(shí)往往提出一些特殊要求,甚至在產(chǎn)品即將投產(chǎn)時(shí)有的用戶臨時(shí)提出一些要求,這就需要迅速變型設(shè)計(jì)和修改相應(yīng)的圖紙及技術(shù)文件。在國(guó)外,這項(xiàng)修改工作在計(jì)算機(jī)的輔助下一般僅需數(shù)天至一周,而在我國(guó)機(jī)床廠用手工操作就至少需12個(gè)月,且由于這些圖

9、紙和文件涉及多個(gè)部門(mén),常會(huì)出現(xiàn)漏改和失誤的現(xiàn)象,影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和交貨期。 (4) 現(xiàn)在我國(guó)工廠設(shè)計(jì)和工藝人員中青年占多數(shù),他們的專業(yè)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不足, 又擔(dān)負(fù)著開(kāi)發(fā)的重任。 (5)由于長(zhǎng)期以來(lái)形成的設(shè)計(jì)、工藝和制造部門(mén)分立,缺乏有效的協(xié)同開(kāi)發(fā)的模式,不能從制訂方案開(kāi)始就融入各方面的正確意見(jiàn),容易造成產(chǎn)品的反復(fù)修改,延長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)的周期。為解決這些問(wèn)題,必須對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù),發(fā)展優(yōu)化和仿真技術(shù),提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使設(shè)計(jì)、工藝和制造人員協(xié)同工作和知識(shí)共享的產(chǎn)品虛擬開(kāi)發(fā)環(huán)境,使用相應(yīng)的產(chǎn)品虛擬開(kāi)發(fā)軟件，這樣才

10、能有效地解決產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的落后局面,使企業(yè)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。車(chē)床數(shù)控化改造的意義我國(guó)現(xiàn)在擁有數(shù)量多達(dá)300多萬(wàn)臺(tái)的通用機(jī)床，其中大部分機(jī)床的加工精度、生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度與先進(jìn)設(shè)備相比不高，要想在幾年內(nèi)大量地用數(shù)控機(jī)床來(lái)更新，無(wú)論在資金上還是技術(shù)力量上都是難以實(shí)現(xiàn)的。但如果利用數(shù)控技術(shù)根據(jù)需要對(duì)現(xiàn)有機(jī)床加以改造，不僅能實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)化，提高機(jī)床的加工精度，而且投資少、見(jiàn)效快，適合我國(guó)的生產(chǎn)力水平。因此，利用數(shù)控技術(shù)改造舊設(shè)備已成為我國(guó)推廣全功能數(shù)控機(jī)床的過(guò)渡手段。1.1.3普通車(chē)床數(shù)控化改造的優(yōu)點(diǎn) 機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)床的控制信

11、息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行柔性自動(dòng)化控制的新一代機(jī)床數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過(guò)程自動(dòng)化的理想手段。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時(shí)使人們對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)床傳動(dòng)及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機(jī)床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開(kāi)創(chuàng)機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。 數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對(duì)位置，機(jī)床電機(jī)的啟動(dòng)和停止，主軸變速，工件松開(kāi)和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動(dòng)作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信

12、息送入數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)譯碼，運(yùn)算，發(fā)出各種指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，其主要有以下的優(yōu)點(diǎn)： (1) 適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機(jī)床上改變加工工件時(shí)，只需重新編制新工件的加工程序，就能實(shí)現(xiàn)新工件加工。 (2) 加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量； (3) 可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動(dòng)，能加工形狀復(fù)雜的零件；(4) 加工零件改變時(shí)，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間； (5)機(jī)床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)效率高（一般為普通機(jī)床的35倍）；(6) 機(jī)床自動(dòng)化程度高，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度改善勞動(dòng)條件； (7)

13、 對(duì)操作人員的素質(zhì)要求較高，對(duì)維修人員的技術(shù)要求更高。數(shù)控機(jī)床一般由下列幾個(gè)部分組成： (8) 主機(jī)，他是數(shù)控機(jī)床的主題，包括機(jī)床身、立柱、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。他是用于完成各種切削加工的機(jī)械部件。(9) 數(shù)控裝置，是數(shù)控機(jī)床的核心，包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機(jī)等）以及相應(yīng)的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。 (10) 驅(qū)動(dòng)裝置，他是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件，包括主軸驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)給單元、主軸電機(jī)及進(jìn)給電機(jī)等。他在數(shù)控裝置的控制下通過(guò)電氣或電液伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。當(dāng)幾個(gè)進(jìn)給聯(lián)動(dòng)時(shí)，可以完成定位、直

14、線、平面曲線和空間曲線的加工。(11)輔助裝置，指數(shù)控機(jī)床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行，如冷卻、排屑、潤(rùn)滑、照明、監(jiān)測(cè)等。它包括液壓和氣動(dòng)裝置、排屑裝置、交換工作臺(tái)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測(cè)裝置等。(12) 編程及其他附屬設(shè)備，可用來(lái)在機(jī)外進(jìn)行零件的程序編制、存儲(chǔ)等。 還具有良好的經(jīng)濟(jì)效益；有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化；數(shù)控改造費(fèi)用低；機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限；可充分利用現(xiàn)有的條件；可以采用最新的控制技術(shù)；交貨期短，可滿足生產(chǎn)急需等優(yōu)點(diǎn)。 數(shù)控機(jī)床已成為我國(guó)市場(chǎng)需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國(guó)數(shù)控機(jī)機(jī)床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上取得了明顯的進(jìn)步，特別是在機(jī)床的

15、高速化、多軸化、復(fù)合化、精密化方面進(jìn)步很大。但是，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn)國(guó)家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國(guó)家建設(shè)的需要。 我國(guó)是一個(gè)機(jī)床大國(guó)，有三百多萬(wàn)臺(tái)普通機(jī)床。但機(jī)床的素質(zhì)差，性能落后，單臺(tái)機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的1/10左右，差距太大，急待改造。 舊機(jī)床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)控制裝置，使其具有一定的自動(dòng)化能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。 隨著數(shù)控機(jī)床越來(lái)越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為大家所理解。在國(guó)內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機(jī)床的微機(jī)數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購(gòu)置數(shù)控機(jī)床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益

16、。我國(guó)經(jīng)濟(jì)資源有限，國(guó)家大，機(jī)床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購(gòu)買(mǎi)新型的數(shù)控機(jī)床，而我國(guó)的舊機(jī)床很多，用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機(jī)床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，比較符合我國(guó)的國(guó)情。 1984年，我國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機(jī)床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。可以預(yù)料，今后，機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說(shuō)，本畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)例具有典型性和實(shí)用性。1.2數(shù)控化改造的內(nèi)容車(chē)床數(shù)控化改造的主要內(nèi)容和主要結(jié)構(gòu)形式如下：1、進(jìn)給軸的改造 普通車(chē)床的X軸和Z軸均由同一電機(jī)驅(qū)動(dòng)，走刀運(yùn)動(dòng)經(jīng)走刀箱傳動(dòng)絲杠及溜板箱，獲得不同的工件

17、螺距即Z軸運(yùn)動(dòng)；走刀運(yùn)動(dòng)經(jīng)走刀箱傳動(dòng)光桿及溜板箱，獲得不同的進(jìn)刀量即X軸運(yùn)動(dòng)。普通車(chē)床數(shù)控化改造時(shí)一般都去掉走刀箱及溜板箱，改用進(jìn)給伺服（或步進(jìn)）傳動(dòng)鏈分別代替，具體體現(xiàn)為： Z軸：縱向電機(jī)減速箱（或聯(lián)軸器）縱向滾珠絲杠大拖板，縱向按數(shù)控指令獲得不同的走刀量和螺距。X軸：橫向電機(jī)減速箱（或聯(lián)軸器）橫向滾珠絲杠橫滑板，橫向按數(shù)控指令獲得不同的走刀量。 改造后整個(gè)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)精度在保證機(jī)床剛性的前提下，與滾珠絲杠副的選擇和布置結(jié)構(gòu)形式、機(jī)床導(dǎo)軌的精度情況等有很大的關(guān)系。 (1) 滾珠絲杠副的選擇和布置結(jié)構(gòu)形式 普通車(chē)床大多采用的是T型絲杠等滑動(dòng)絲杠副，與滾珠絲杠副相比摩擦阻力大、傳動(dòng)效率低，不能適

18、應(yīng)于高速運(yùn)動(dòng)。另外由于磨損快，造成其精度保持性和壽命低等等，在進(jìn)行普通機(jī)床數(shù)控化改造時(shí)往往都將其更換為滾珠絲杠副。滾珠絲杠副有以下一些特點(diǎn)：摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.900.96；若使用的絲杠螺母預(yù)緊后，可以完全消除間隙，提高傳動(dòng)剛度；摩擦阻力小，幾乎與運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，動(dòng)靜摩擦力之差極小，能保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象；磨損小、壽命長(zhǎng)、精度保持性好。但應(yīng)注意，由于滾珠絲杠副不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此絲杠立式和傾斜使用時(shí)，應(yīng)增加制動(dòng)裝置或平衡裝置。 滾珠絲杠副根據(jù)其滾珠的回轉(zhuǎn)方式可以分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種，根據(jù)螺母的結(jié)構(gòu)形式又可以

19、分為雙螺母和單螺母。在進(jìn)行改造時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況和結(jié)構(gòu)形式來(lái)定，由于外循環(huán)式絲杠副螺母回珠器在螺母外邊，所以很容易損壞而出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，而內(nèi)循環(huán)式的回珠器在螺母副內(nèi)部，不存在卡死和脫落現(xiàn)象。由于雙螺母不僅裝配、預(yù)緊調(diào)整等比單螺母方便，而且其傳動(dòng)剛性比單螺母也好，所以只要結(jié)構(gòu)和機(jī)床空間滿足要求，在普通機(jī)床數(shù)控化改造中多選內(nèi)循環(huán)式雙螺母結(jié)構(gòu)。 改造時(shí)各軸滾珠絲杠的直徑一般都是與原T型絲杠直徑相近，對(duì)有特殊要求的機(jī)床還應(yīng)根據(jù)桿系的穩(wěn)定性計(jì)算其臨界轉(zhuǎn)速，最終確定滾珠絲杠的直徑。絲杠導(dǎo)程在滿足機(jī)床改造后性能的前提下越小，對(duì)機(jī)床的傳動(dòng)精度越有利。機(jī)床的傳動(dòng)精度在保證機(jī)床剛性的情況下，與絲杠副本身的精度和軸承布

20、置形式有很大的關(guān)系，一般在普通機(jī)床改造中絲杠副選P4級(jí)即可滿足要求，特殊精密機(jī)床選P3級(jí)甚至更高。絲杠副軸承常見(jiàn)的布置形式根據(jù)不同的需要可以分為以下幾種，如圖1。(a) (b)(c)(d)圖1 絲杠副軸承的布置.圖1a中為一端固定，一端懸空的布置方式。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度低，僅適應(yīng)于短絲杠，如數(shù)控機(jī)床的調(diào)整環(huán)節(jié)或升降臺(tái)式數(shù)控銑床的垂直坐標(biāo)中。 .圖1b中為一端固定，一端支承的布置方式。這種安裝方式多在絲杠較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合，在受力較大時(shí)還得增加角接觸球軸承得數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時(shí)多用更經(jīng)濟(jì)的推力球軸承代替角接觸球軸承。 1d中為兩端固定的布置方式。這種布置方式絲杠副得支承剛性最好，通

21、過(guò)軸承的預(yù)緊力預(yù)拉伸絲杠，以減少絲杠熱變形的影響。這種方式多用在絲杠長(zhǎng)度不大得情況，但設(shè)計(jì)時(shí)要注意提高平面球軸承的承載能力、支承剛度以及絲杠裝配時(shí)的預(yù)拉伸量，否則會(huì)影響軸承壽命，同時(shí)也會(huì)因?yàn)轭A(yù)加負(fù)載得不易控制而增加電機(jī)的附加扭矩。 (2）機(jī)床導(dǎo)軌 普通車(chē)床導(dǎo)軌大多采用的是滑動(dòng)導(dǎo)軌，其動(dòng)、靜摩擦系數(shù)大，在使用一段時(shí)間后都會(huì)有不同程度的磨損，對(duì)機(jī)床傳動(dòng)精度和其保持性帶來(lái)很大的影響。因此在對(duì)其進(jìn)行數(shù)控化改造的同時(shí)必須針對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌狀況進(jìn)行必要的檢修處理，對(duì)于磨損較嚴(yán)重的更要進(jìn)行大修，即進(jìn)行磨削、淬火、貼塑、配刮等處理，同時(shí)采用合理的潤(rùn)滑，充分保證其精度。 (3）電機(jī)與絲杠的聯(lián)接 在滿足機(jī)床要求的前提下

22、，為減少中間環(huán)節(jié)帶來(lái)的傳動(dòng)誤差，我們多將電機(jī)與絲杠副通過(guò)聯(lián)軸器直接聯(lián)接，這要根據(jù)改造中實(shí)際情況來(lái)定。一般對(duì)于小型車(chē)床如C6116型，由于空間尺寸有限，特別是X軸，電機(jī)與絲杠副不能直聯(lián)，多采用齒輪副或同步帶論來(lái)傳動(dòng)；對(duì)于大型車(chē)床如C6150，床身長(zhǎng)5米的車(chē)床，由于絲杠較長(zhǎng)，直徑較大，除了要考慮傳動(dòng)力的問(wèn)題，還要考慮其低速性能及加減速慣量匹配的問(wèn)題，往往電機(jī)都要通過(guò)幾級(jí)減速來(lái)傳動(dòng)。無(wú)論是采用齒輪還是同步帶論來(lái)傳動(dòng)，其傳動(dòng)間隙的消除是比較關(guān)鍵的。齒輪傳動(dòng)中常用的方法有錯(cuò)齒消隙法、偏心軸調(diào)整法等等，同步帶論傳動(dòng)中多采用調(diào)整中心距或張緊輪消隙法。 2、主軸部分的改造 車(chē)床主軸帶動(dòng)工件以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)是車(chē)削

23、加工中的主運(yùn)動(dòng)，消耗機(jī)床大部分動(dòng)力。普通車(chē)床由主電動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶傳動(dòng)，經(jīng)主軸變速箱帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸箱經(jīng)手動(dòng)或自動(dòng)變速獲得（924）級(jí)轉(zhuǎn)速，通過(guò)電磁或液壓離合器操縱主軸的變速和正反轉(zhuǎn)；而數(shù)控車(chē)床主軸箱由電主軸或傳統(tǒng)機(jī)械主軸單元加變頻電機(jī)和變頻器組成。普通車(chē)床在數(shù)控化改造時(shí)大部分情況下保留原主軸箱，不做改動(dòng)或少做改動(dòng)。如需改動(dòng)則要注意以下幾點(diǎn)： 如原主軸含液壓操縱主軸的變速、正反轉(zhuǎn)和潤(rùn)滑功能，則需對(duì)其增裝單獨(dú)普通電機(jī)加以驅(qū)動(dòng)，避免液壓系統(tǒng)受到主電機(jī)正反轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速變換而失靈。 如不需要原有機(jī)械變速換擋時(shí)，則需將主軸箱內(nèi)齒輪組固定在一恒定的速度鏈上，摩擦片也應(yīng)焊死以免因?yàn)檎`操作出現(xiàn)事故。 機(jī)床能否進(jìn)行螺紋

24、加工是主軸部分?jǐn)?shù)控化改造的另一重要部分，傳統(tǒng)車(chē)床加工螺紋時(shí)往往是通過(guò)掛輪組來(lái)完成，加工不同的螺紋則需不同的掛輪組，操作起來(lái)十分麻煩。改造時(shí)如圖2，我們通常在主軸末端或掛輪架處增裝一光電編碼器，其轉(zhuǎn)速與主軸轉(zhuǎn)速一致，主軸轉(zhuǎn)一周，光電碼盤(pán)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，通過(guò)反饋給系統(tǒng)控制進(jìn)給軸與主軸的同步性，從而加工出理想螺距的螺紋。根據(jù)其編碼方式的不同，光電碼盤(pán)可分為增量式光電碼盤(pán)和絕對(duì)式光電碼盤(pán)，目前國(guó)內(nèi)常用的為增量式光電碼盤(pán)。根據(jù)光電碼盤(pán)上刻線條數(shù)可分為1024線、2048線等，我們常用的為1024線即可滿足要求。3、刀架部分的改造 目前數(shù)控車(chē)床刀架基本為電動(dòng)刀架，其特點(diǎn)是定位更準(zhǔn)確、迅速。老式傳統(tǒng)車(chē)床刀架多為手動(dòng)

25、、液壓驅(qū)動(dòng)或少部分的電動(dòng)，改造時(shí)可以根據(jù)需要對(duì)其加以更換。 電動(dòng)刀架可分為臥式轉(zhuǎn)塔刀架（一般安裝812把刀）和立式電動(dòng)刀架，立式電動(dòng)刀架有四工位（或六工位），其中每一種刀架又有抬刀刀架（兩端齒盤(pán)）和免抬刀刀架（三端齒盤(pán)）之分。臥式轉(zhuǎn)塔刀架價(jià)格相對(duì)較貴，改造中常用立式四工位電動(dòng)刀架。 4、潤(rùn)滑部分的改造 老式傳統(tǒng)車(chē)床除主軸箱外，導(dǎo)軌、絲杠副、光桿等多用油槍定期注油潤(rùn)滑和油脂潤(rùn)滑，這對(duì)機(jī)床的導(dǎo)軌、絲杠副等的精度保持很不利，在同等驅(qū)動(dòng)下機(jī)床運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、靈活性也差一些。 在對(duì)這些機(jī)床改造時(shí)一般都要對(duì)其潤(rùn)滑部分進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)，采用稀油集中定量、定時(shí)供油潤(rùn)滑的方式，可分為手控潤(rùn)滑和編程自動(dòng)潤(rùn)化兩種，在機(jī)

26、床導(dǎo)軌、絲杠副布置好油路后可根據(jù)需要任選一種。 絲杠支承軸承一般采用油脂潤(rùn)滑，如特殊需要和供油充分的條件下也可采用稀油潤(rùn)滑。 5、機(jī)床防護(hù) 機(jī)床改造后整個(gè)防護(hù)分局部防護(hù)、半防護(hù)和全防護(hù)三種。 局部防護(hù)只對(duì)絲杠副、電機(jī)、走線等采取防護(hù)措施。半防護(hù)是在局部防護(hù)的基礎(chǔ)上增加切削的保護(hù)，即增加擋屑裝置。全防護(hù)即在局部防護(hù)的基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè)機(jī)床加以封閉，此種防護(hù)最難處理，考慮的因素也很多如安裝位、防水、美觀等。實(shí)際操作起來(lái)以前兩種最多，也最易操作。 1.3機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 我國(guó)目前機(jī)床總量380余萬(wàn)臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬(wàn)臺(tái)，即我國(guó)機(jī)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

27、0.60.8萬(wàn)臺(tái)，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6%。我國(guó)機(jī)床役齡10年以上的占60%以上；10年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20%，F(xiàn)MC/FMS等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國(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。用這種裝備加工出來(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長(zhǎng)，從而在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 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)

28、定性。所以很多企業(yè)紛紛將現(xiàn)有機(jī)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，這種做法具有投資少、見(jiàn)效快的特點(diǎn)。事實(shí)證明：用較少的資金，將普通機(jī)床改造升級(jí)為數(shù)控機(jī)床，可以為企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。2. 車(chē)床數(shù)控改造的構(gòu)思與方案 本次改造的普通車(chē)床型號(hào)為CA6140，長(zhǎng)度750毫米。數(shù)控改造主要包括傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械改造和數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)。由于對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的加工精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，擬采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。通過(guò)控制縱、橫進(jìn)給系統(tǒng)，保證改造后的車(chē)床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停等功能。為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠；為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠

29、螺母副。2.1 改造任務(wù) 本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì)CA6140普通車(chē)床進(jìn)行數(shù)控改造。利用微機(jī)對(duì)縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，縱向（Z向）脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，橫向（X向）脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。 2.2 改造方案的論證 對(duì)于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)機(jī)床的改動(dòng)應(yīng)盡可能少，以降低成本。 控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。由于要求CA6140車(chē)床加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動(dòng)連續(xù)控制系統(tǒng)。伺服進(jìn)給

30、系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。因?yàn)殚_(kāi)環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。所以，本設(shè)計(jì)決定采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。在設(shè)計(jì)的數(shù)控裝置中，CPU的選擇是關(guān)鍵，選擇CPU應(yīng)考慮以下要素： (1) 時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)與被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度和精度密切相關(guān)； (2) 可擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量與數(shù)控功能的強(qiáng)弱相關(guān)； (3) I/O口擴(kuò)展的能力與對(duì)外設(shè)控制的能力相關(guān)。 除此之外，還應(yīng)根

31、據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合、控制對(duì)象以及各種性能、參數(shù)要求等，綜合起來(lái)考慮以確定CPU。在我國(guó)，普通機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的是Z80CPU和MCS-51系列單片機(jī)，主要是因?yàn)樗鼈兊呐涮仔酒阋?，普及性、通用性?qiáng)，制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的改造需要。本設(shè)計(jì)中是以MCS-51系列單片機(jī)，51系列相對(duì)48系列指令更豐富，相對(duì)96系列價(jià)格更便宜，51系列中，是無(wú)ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控機(jī)中應(yīng)用最多的是8031單片機(jī)。本設(shè)計(jì)以8031芯片為核心，增加存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、接口和面板操作開(kāi)關(guān)組成的控制系統(tǒng)。2.3改造方案的確定 CA6140A車(chē)床主要

32、用于對(duì)中小型軸類、盤(pán)類及螺紋零件的加工，加工這些零件工藝上要求機(jī)床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有：能夠控制主軸正反轉(zhuǎn)，實(shí)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并具有在換刀點(diǎn)自動(dòng)改變四個(gè)刀位完成選擇刀具的功能；加工螺紋時(shí)，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動(dòng)一個(gè)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(duì)象。 數(shù)控機(jī)床由機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)和外圍技術(shù)三部分組成。普通車(chē)床改造的目的是利用數(shù)控系統(tǒng)控制車(chē)床自動(dòng)完成機(jī)械加工任務(wù)，提高車(chē)床的加工精度和生產(chǎn)效率。在考慮經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床改造具體方案時(shí)，所遵循的原則是在滿足需要的前提下，對(duì)原有車(chē)床盡可能減少改動(dòng)，以降低改成本。改造中需要解決的問(wèn)題

33、是：將機(jī)械傳動(dòng)的進(jìn)給和手動(dòng)控制的轉(zhuǎn)位刀架改造成數(shù)控裝置控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架和自動(dòng)進(jìn)給的數(shù)控加工車(chē)床。根據(jù)CA6140A車(chē)床的有關(guān)資料，確定總體方案為： 利用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)輸入的加工程序進(jìn)行運(yùn)算處理，發(fā)出的進(jìn)給指令通過(guò)I/O接口輸出給X軸和Z軸步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)齒輪減速后，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，由螺母帶動(dòng)刀架直線移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的自動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。換刀指令通過(guò)刀架控制器控制三相電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位功能，由脈沖編碼器協(xié)調(diào)完成螺紋車(chē)削功功能。3主要結(jié)構(gòu)的數(shù)控改造方法3.1 數(shù)控系統(tǒng)的改造 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)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(chē)床數(shù)控改

34、造時(shí)，由于需要加工圓錐、圓弧等曲面，需要選擇兩軸聯(lián)動(dòng)控制的數(shù)控系統(tǒng)。3.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)(CNC系統(tǒng))是數(shù)控機(jī)床的控制核心，隨著機(jī)床數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，提高了數(shù)控機(jī)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(jī)床已在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。目前市場(chǎng)上流行的數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC、西門(mén)子、GSK980TD等都配置有車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)，能夠勝任車(chē)、削加工的大部分工作，并具有價(jià)格低廉、可靠性強(qiáng)、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。在對(duì)多家數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行比較后!我們選擇了GSK980TD型數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床應(yīng)能長(zhǎng)期連續(xù)加工，其數(shù)控系統(tǒng)必須能夠長(zhǎng)期無(wú)故降連續(xù)運(yùn)行。為保證機(jī)床長(zhǎng)期

35、可靠地運(yùn)行，數(shù)控系統(tǒng)必須有抵抗惡劣環(huán)境的高可靠運(yùn)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(chē)間環(huán)境下運(yùn)行。其工作場(chǎng)地的室溫為0-45，相對(duì)濕度75%短時(shí)可達(dá)95%,抗震為0.5g ，電網(wǎng)電壓波動(dòng)為10%-15%,經(jīng)對(duì)使用中系統(tǒng)的實(shí)際統(tǒng)計(jì)，GSK980TD系統(tǒng)的故障率為0.008，比較好地滿足了我國(guó)市場(chǎng)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(dòng)化工廠生產(chǎn)

36、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(jī)投料、沖片、精鑄、機(jī)械加工、裝配、成品的包裝出廠全部為自動(dòng)化，這就使得在生產(chǎn)過(guò)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(jì)：GSK980TD系統(tǒng)經(jīng)過(guò)在國(guó)內(nèi)各地?cái)?shù)年的運(yùn)行，積累了豐富的數(shù)據(jù)，因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)考慮了可能出現(xiàn)的各種故障情況，加入了許多保護(hù)和提高可靠性的措施，如開(kāi)機(jī)和狀態(tài)切換時(shí)的層層檢側(cè)、過(guò)壓、過(guò)流、反饋斷線等報(bào)警，使得機(jī)床運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)處理，從而進(jìn)免了元部件的損壞。 (5)數(shù)字式進(jìn)給伺服和數(shù)字式主軸驅(qū)動(dòng)：數(shù)字控制、數(shù)據(jù)的串行傳輸大大提高了運(yùn)行的可

37、靠性。主軸控制信號(hào)的傳送使用光纜，使信號(hào)免受外界干擾。3.1.3電氣控制原理1、主軸控制系統(tǒng)： 主軸采用三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)由西門(mén)子440變頻器US控制，其動(dòng)力由U、V、W三相電源經(jīng)變頻器US提供，主軸電機(jī)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(jī)的正反轉(zhuǎn)，主軸電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速，若出現(xiàn)故障，則由變頻器US發(fā)出信號(hào)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(bào)警顯示報(bào)警號(hào)。 控制原理圖如下： 圖2.1 主軸控制系統(tǒng)原理圖 2、Z軸進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)： Z軸采用松下伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)由松下伺服模塊控制，其動(dòng)力由R、S、T三相電源經(jīng)伺服模塊提供，伺

38、服電機(jī)控制刀架的Z（縱向）進(jìn)給與后退（正反轉(zhuǎn)）及進(jìn)給速度與進(jìn)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XS30-XS33，若出現(xiàn)故障，則由伺服模塊發(fā)出信號(hào)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(bào)警顯示報(bào)警號(hào)。 3、 X軸進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)： X軸電機(jī)采用雷賽步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由雷賽伺服模塊控制，其動(dòng)力由+V1電源經(jīng)伺服模塊提供，步進(jìn)電機(jī)控制刀架的X（橫向）進(jìn)給與后退（正反轉(zhuǎn)）及進(jìn)給速度與進(jìn)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(hào)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(bào)警顯示報(bào)警號(hào)。 4、刀架控制電路： 刀架電機(jī)采用三相異步

39、電機(jī)驅(qū)動(dòng)由繼電器模塊控制，刀架電機(jī)控制刀架的換刀（正反轉(zhuǎn)）及轉(zhuǎn)動(dòng)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(hào)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(bào)警顯示報(bào)警號(hào)。 5、 光柵尺控制電路： 光柵尺通過(guò)測(cè)量反饋控制刀架進(jìn)給與后退量的實(shí)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(jìn)行時(shí)時(shí)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(bào)警顯示報(bào)警號(hào)。 3.2 縱向（Z向）進(jìn)給系統(tǒng)的改造3.2.1 改造思路 絲杠傳動(dòng)直接關(guān)系到傳動(dòng)鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動(dòng)扭矩要求。被加工件精度要求不高時(shí)可采用滑動(dòng)絲杠，但應(yīng)檢查原絲

40、杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計(jì)誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動(dòng)絲杠應(yīng)不低于6級(jí)，螺母間隙過(guò)大則更換螺母。采用滑動(dòng)絲杠相對(duì)滾珠絲杠價(jià)格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。縱向進(jìn)給系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)大拖板左右縱向移動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)安裝在縱向絲杠的右端。3.2.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算已知條件： 工作臺(tái)重量 W=80(kg)(根據(jù)圖樣粗略估計(jì)) 時(shí)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(dāng)量 p=0.01/脈沖 步距角 =0.75（mm/脈沖） 快速進(jìn)給速度 V =4（m/min） (1) 切削力計(jì)算 縱切

41、外圓時(shí)，車(chē)床的切削力Fz可以用下式計(jì)算： F =0.67 （2-1） 式中： 為在車(chē)床床面上加工的最大直徑(mm)， =21（mm） 則 F =0.67210 =2039(N) 進(jìn)給抗力Fx和切深抗力可按下列比例分別求出 F ： F ： F = 1 ： 0.25 ： 0.4 則 F =0.252039=510(N) F = 0.4 2039 = 815.6(N) (2) 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力 可用下列進(jìn)給牽引力實(shí)際公式計(jì)算，對(duì)于三角形或綜合導(dǎo)軌機(jī)床： f = K F + f(F + W) （2-2） 式中： F 、F X（橫） 、Z（縱）方向上的切削分力，單位為（N

42、） W移動(dòng)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(shí)驗(yàn)系數(shù) 對(duì)于三角形或綜合性導(dǎo)軌機(jī)床： K = 1.15 f= 0.15-0.18 取f= 0.16 = 1.15 510 + 0.16 (2039 + 800) = 1040.7(N) 最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算及主要尺寸初選 滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動(dòng)載荷C 選用，最大動(dòng)載荷計(jì)算原理與滾珠軸承相似，滾珠絲杠最大C可用下式計(jì)算： C = f F （2-3） 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(jìn)給速度(m/min)，可取最高進(jìn)給速度的 ； L 絲杠基本導(dǎo)程

43、(mm) ； f 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，一般情況取1.2-1.5； F 為滾珠絲杠工作載荷(N)。 計(jì)算時(shí)，可根據(jù)快進(jìn)速度V 和絲杠最大轉(zhuǎn)速 ，初選一個(gè)數(shù)值L 1000 ，待剛度驗(yàn)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 1.129 = 1625.8（r/min） L 1000 = =2.46（mm） 取L =6（mm） 則 n= = = 333r/min L= = = 300 (10 r) C= f F = 1.31040.7= 9056.8 (N) 初選滾珠絲桿副的尺寸，相應(yīng)的額定動(dòng)載荷C 不得小于最大動(dòng)載荷C：C >

44、;C ，選用內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)螺旋副： D =3.696， d =40mm， C =16300， C =47100，=2?44， L =6， (3) 傳動(dòng)效率計(jì)算： 滾動(dòng)絲杠螺紋的傳動(dòng)效率為： = （2-4） 式中： 絲杠螺紋升角，可根據(jù)初選型號(hào)查出，=2.44； 摩檫絲杠副的滾動(dòng)摩檫系數(shù)f=0.003-0.004，其摩檫角約等于10 則 = =0.97603 (4) 剛度驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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，絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形.滾珠絲杠

45、的扭矩變形較小，對(duì)縱向變形的影響更 小，可忽略不計(jì)，螺母座只要設(shè)計(jì)合理，其變形量也可忽略不計(jì).絲杠軸承的軸向接觸變形計(jì)算方法可參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).可供滾珠絲杠支承使用的滾動(dòng)軸承種類很多，目前占優(yōu)勢(shì)的有：接觸角為60的推力角接觸球軸承，可以背靠背或面對(duì)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(jì)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(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量： = （2-5） 式中： 在工作載荷作用下絲杠總長(zhǎng)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(zhǎng)度(mm); E材料彈性模

46、量，對(duì)鋼E=20.610Mpa; A滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面 (mm)， + 號(hào)用于拉伸， - 號(hào)用于壓縮. F = 1040.7 (N) L = 1600 mm E =20.610 Mpa A= (d -D ) 則 = = =0.0079（mm） 2 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 該變形量與滾珠列.圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，有預(yù)緊力時(shí)： = （2-6） 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=( )-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 = 3.

47、969 （mm） Z = = 58 F = 1040.7 (N) F = F = 510 = 170 (N) 所以， =0.0013 =0.0022（mm） 絲杠的總變形量= + =0.0079+0.0101<0.015 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(jì)（縱向） 為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載慣量盡可能地減小，傳動(dòng)鏈中常采用減速傳動(dòng)。本例中，Z向減速箱選用同步帶傳動(dòng)，同步帶與帶輪的計(jì)算和選型參見(jiàn)第三章第三節(jié)相關(guān)內(nèi)容。設(shè)計(jì)同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳遞的功率 ；主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速 和傳動(dòng)比i；傳動(dòng)系統(tǒng)的位置和工作條件等。根據(jù)改造經(jīng)驗(yàn)，C

48、6140車(chē)床Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩通常在15-25 Nm之間選擇。 今初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為130BYG5501，五相混合式，最大靜轉(zhuǎn)矩為20 Nm，十拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為0.72。該電動(dòng)機(jī)的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4-5，運(yùn)行矩頻特性曲線見(jiàn)圖6-4。（1） 傳動(dòng)比i的確定 已知電動(dòng)機(jī)的步距角 = 0.72，脈沖當(dāng)量z= 0.01 mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程Ph= 6 mm。根據(jù)公式（3-12）算得傳動(dòng)比i = 1.2。 （2）主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速 由Z向拖板的最快移動(dòng)速度vzmax=6000mm/min，可以算出主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速 =（vzmax /z ）/ 360 =1200（r/min）。 （3）確定帶的設(shè)計(jì)功率

49、Pd 預(yù)選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的步進(jìn)脈沖頻率為： fmax= 1200 360 / ( 60 ) = 10000（Hz）。 從圖6-4查得，當(dāng)脈沖頻率為10000 Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為3.8 Nm，對(duì)應(yīng)的輸出功率為POUT = n T / 9.55 = 1200 3.8 / 9.55 477.5（W）。同步帶傳遞的負(fù)載功率應(yīng)該小于477.5 W，今取P = 0.32 kW，從表3-18中取工作情況系數(shù)KA = 1.2，則由式（3-14），求得帶的設(shè)計(jì)功率Pd = KA P =1.20.32 kW= 0.384 kW。 （4）選擇帶型和節(jié)距 根據(jù)帶的設(shè)計(jì)功率P

50、d=0.384 kW和主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速 =1200 r/min，從圖3-14中選擇同步帶，型號(hào)為 XL型，節(jié)距 =5.08 mm。（5）確定小帶輪齒數(shù) 和小帶輪節(jié)圓直徑 取 =25，則小帶輪節(jié)圓直徑 = =40.43 mm。當(dāng) 達(dá)最高轉(zhuǎn)速1200 r/min時(shí)，同步帶的速度為 =2.54（m/s），沒(méi)有超過(guò)XL型帶的極限速度40 m/s。（6）確定大帶輪齒數(shù) 和大帶輪節(jié)圓直徑 大帶輪齒數(shù) = =30,節(jié)圓直徑 =48.51 mm。（7）初選中心距 、帶的節(jié)線長(zhǎng)度 、帶的齒數(shù) 初選中心距 =1.3（ + ）=115.622 mm，圓整后取 =120mm.則帶的節(jié)線長(zhǎng)度為 （8）計(jì)算實(shí)際中心距 實(shí)際

51、中心距 （9）校驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù)嚙合齒數(shù)比6大，滿足要求。 （10）計(jì)算基準(zhǔn)額定功率 式中 帶寬為 的許用工作拉力，由表3-21查得 =50.17N； 帶寬為 的單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，由表3-21查得 =0.022 同步帶的帶速，由上述（5）可知 =2.54 m/s。算得 = 0.127 kW。（11）確定實(shí)際所需同步帶寬度 式中 選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度，由表3-21查得= 9.5 mm；小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，由表3-22查得 =1。由上式算得 25.07 mm，再根據(jù)表3-11選定最接近的帶寬 =25.4 mm。（12）帶的工作能力驗(yàn)算 根據(jù)式（3-22），計(jì)算同步帶額定功率P的精確值： 式中，

52、為齒寬系數(shù) = 3.068；經(jīng)計(jì)算得P = 0.390 kW，而Pd = 0.384 kW，滿足PPd .因此，帶的工作能力合格。5. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型（縱向）（1）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 已知：滾珠絲杠的公稱直徑 =40 mm，總長(zhǎng)（帶接桿)l=1560 mm，導(dǎo)程 6 mm，材料密度 ;縱向移動(dòng)部件總重量G = 1300 N；同步帶減速箱大帶輪寬度28 mm，節(jié)徑48.51 mm，孔徑30 mm，輪轂外徑42 mm，寬度14 mm；小帶輪寬度28 mm，節(jié)徑40.43 mm，孔徑19mm，輪轂外徑29 mm，寬度12 mm；傳動(dòng)比i =1.2。 參照表4-1，可以算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下（具體計(jì)算過(guò)程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =30.78 ；拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =1.21 ；小帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =0.60;大帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =1.27。在設(shè)計(jì)減速箱時(shí)，初選的Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為130BYG5501，從表