本科畢設(shè)論文--ca6140臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計說明書

四川信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)第PAGEII頁CA6140臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計專業(yè)：數(shù)控設(shè)備應(yīng)用與維護姓名：何波指導(dǎo)教師：楊金鵬、魯亞莉摘要：企業(yè)要在當前市場需求多變，競爭激烈的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，以最低價格、最好的質(zhì)量、最短的時間去滿足市場需求的不斷變化。而普通機床已不適應(yīng)多品種、大批量生產(chǎn)要求，數(shù)控機床則綜合了數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、自動檢測技術(shù)等先進技術(shù)，最適宜加工大批量、高精度、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要換零件加工程序，無需對機床作任何調(diào)整，因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。如果將機床設(shè)備全部更新?lián)Q代，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費。所以最經(jīng)濟的辦法就是進行普通機床的數(shù)控改造。采用數(shù)控改造技術(shù)，不但可以使改造后的機床滿足了技術(shù)發(fā)展的需要，提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)品精度，增大了設(shè)備適應(yīng)能力和型面加工范圍，還可以彌補定購新的數(shù)控機床交貨周期長的不足。所以采用此方法對中、小型企業(yè)來說是十分理想的選擇。本設(shè)計采用的GSK980TA1進行的數(shù)控化改造。GSK980TA1系統(tǒng)具有性能良好、結(jié)構(gòu)先進、操作輕便等特點,在我國機械制造行業(yè)中使用非常廣泛。本設(shè)計說明書包括：緒論、總體設(shè)計方案的擬定、伺服進給系統(tǒng)的改造設(shè)計、自動轉(zhuǎn)位刀架的選擇設(shè)計、編碼盤安裝等部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計。關(guān)鍵詞：CA6140車床；數(shù)控化改造；進給系統(tǒng)；自動刀架目錄第1章緒論……………………11.1本文選題的背景及意義 11.2數(shù)控機床的優(yōu)越性 11.3數(shù)控機床在我國的發(fā)展現(xiàn)狀 11.4機床數(shù)控化改造的必要性 3第2章總體設(shè)計方案的擬定…………………42.1設(shè)計參數(shù) 42.2總體方案的確定 42.3改造后機床的特點 7第3章數(shù)控系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計……………83.1數(shù)控系統(tǒng)的特點 83.2硬件設(shè)計 93.3軟件功能 103.3.1顯示 113.3.2PMC控制 113.3.3進給伺服驅(qū)動 123.3.4主軸驅(qū)動 123.3.5RS-232C口及數(shù)據(jù)通訊 133.3.6調(diào)機、維護與故障診斷 143.3.7系統(tǒng)的功能 15第4章機床的電氣改造………164.1數(shù)控系統(tǒng)電氣控制線的連接 164.2數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部總線上數(shù)據(jù)信息的傳輸 164.2.1數(shù)控系統(tǒng)與進給控制模塊間信息傳輸 174.2.2數(shù)控系統(tǒng)與輸入輸出模塊間信息傳輸 17第5章進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計計算……………185.1縱向機械傳動部分的數(shù)控化改造和設(shè)計計算 185.2橫向機械傳動部分的數(shù)控化改造和設(shè)計計算 26第6章主運動傳動系統(tǒng)總體方案的設(shè)計……346.1主運動傳動系統(tǒng)的設(shè)計 346.1.1無級變速傳動系統(tǒng) 346.1.2有級變速傳動系統(tǒng) 356.1.3固定傳動比的傳動系統(tǒng) 356.2電動機的選擇 366.2.1.電動機工作方式的確定 366.2.2電動機類型的確定 366.2.3電動機型號的選擇 366.3箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計 366.4主軸脈沖發(fā)生器的安裝 37第7章刀架的選型……………38第8章設(shè)計小結(jié)………………408.1優(yōu)缺點分析 408.2設(shè)計的改進及擴展 40總結(jié)………………………41致謝………………………42附錄…………43參考文獻………………………46四川信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)第39頁第1章緒論1.1本文選題的背景及意義金屬切削機床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機器零件的機器，他是制造機器的機器，所以又被稱為“工業(yè)母機”或“工具機”。機床的母機屬性決定了它在國民經(jīng)濟中的地位。機床工業(yè)為各種類型的機械制造廠提供先進的制造技術(shù)與優(yōu)質(zhì)高效的機床設(shè)備，促進機械制造工業(yè)的生產(chǎn)能力和工藝水平的提高。機械制造工業(yè)肩負著為國民經(jīng)濟各部門提供現(xiàn)代化技術(shù)裝備的任務(wù)，即為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸業(yè)、科研和國防等部門提供各種機器、儀器和工具。為適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要，必須大力發(fā)展機械制造工業(yè)。可見，機械制造工業(yè)是國民經(jīng)濟各部門賴以發(fā)展的基礎(chǔ)，而機床則是機械制造工業(yè)的基礎(chǔ)。一個國際機床工業(yè)的技術(shù)水平在很大程度上標志著這個國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學技術(shù)水平。1.2數(shù)控機床的優(yōu)越性數(shù)控機床是綜合應(yīng)用計算機、自動控制、自動檢測及精密機械等高新技術(shù)的產(chǎn)物,是技術(shù)密集度及自動化程度很高的典型機電一體化加工設(shè)備。它與普通機床相比,其優(yōu)越性是顯而易見的,不僅零件加工精度高,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,且自動化程度極高,可減輕工人的體力勞動強度,大大提高了生產(chǎn)效率,特別值得一提的是數(shù)控機床可完成普通機床難以完成或根本不能加工的復(fù)雜曲面的零件加工,因而數(shù)控機床在機械制造業(yè)中的地位愈來愈顯得重要。1.3數(shù)控機床在我國的發(fā)展現(xiàn)狀我國是世界上機床產(chǎn)量最多的國家，但在國際市場競爭中仍處于較低水平，即國內(nèi)市場也面臨著嚴峻的形勢,一方面國內(nèi)市場對各類機床產(chǎn)品特別是數(shù)控機床有大量的需求,而另一方面卻有不少國產(chǎn)機床滯銷積壓,國外機床產(chǎn)品充斥市場。90年國外數(shù)控機床在我國市場的占有率僅達15%左右,而95年已達77%。嚴重影響我國數(shù)控機床自主發(fā)展的勢頭。這種現(xiàn)象的出現(xiàn),除了有經(jīng)營上、產(chǎn)品制造質(zhì)量上和促銷手段上等原因外,一個主要的原因是我國生產(chǎn)的數(shù)控機床品種、性能和結(jié)構(gòu)不夠先進,新產(chǎn)品(包括基型、變型和專用機床)的開發(fā)周期長,從而不能及時針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。具體地說,這個問題反映在下列五個方面:(1)我國機床廠目前開發(fā)基型產(chǎn)品的周期約為15～18個月,其中設(shè)計時間約為5～8個月,占總周期的40%左右。而國外一些先進機床廠同類基型產(chǎn)品的開發(fā)周期為6～9個月,其中設(shè)計約1.5～2個月,只占25%。因此無論是產(chǎn)品開發(fā)的總周期還是設(shè)計所占的時間比例均與國外先進水平有很大的差距。(2)我國工廠由于缺乏設(shè)計的科學分析工具(如分析和評價軟件、整機結(jié)構(gòu)有限元分析方法以及機床性能測試裝置等),自行開發(fā)的新產(chǎn)品大多基于直觀經(jīng)驗和類比設(shè)計,使設(shè)計一次成功的把握性降低,往往需要反復(fù)試制才能定型,從而可能錯過新產(chǎn)品推向市場的良機。(3)用戶根據(jù)使用需要,在訂貨時往往提出一些特殊要求,甚至在產(chǎn)品即將投產(chǎn)時有的用戶臨時提出一些要求,這就需要迅速變型設(shè)計和修改相應(yīng)的圖紙及技術(shù)文件。在國外,這項修改工作在計算機的輔助下一般僅需數(shù)天至一周,而在我國機床廠用手工操作就至少需1～2個月,且由于這些圖紙和文件涉及多個部門,常會出現(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)在我國工廠設(shè)計和工藝人員中青年占多數(shù),他們的專業(yè)知識和實際經(jīng)驗不足,又擔負著開發(fā)的重任。(5)由于長期以來形成的設(shè)計、工藝和制造部門分立,缺乏有效的協(xié)同開發(fā)的模式,不能從制訂方案開始就融入各方面的正確意見,容易造成產(chǎn)品的反復(fù)修改,延長了開發(fā)的周期。為解決這些問題,必須對產(chǎn)品開發(fā)的整個過程綜合應(yīng)用計算機技術(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(ConcurrentEngineering)的使設(shè)計、工藝和制造人員協(xié)同工作和知識共享的產(chǎn)品虛擬開發(fā)環(huán)境,使用相應(yīng)的產(chǎn)品虛擬開發(fā)軟件，這樣才能有效地解決產(chǎn)品開發(fā)的落后局面,使企業(yè)取得良好的經(jīng)濟效益。1.4機床數(shù)控化改造的必要性我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3%。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6%。我國機床役齡10年以上的占60%以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20%，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60%以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?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)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。

經(jīng)過大量實踐證明普通機床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟性、實用性和穩(wěn)定性。所以很多企業(yè)紛紛將現(xiàn)有機床改造成經(jīng)濟型數(shù)控機床，這種做法具有投資少、見效快的特點。事實證明：用較少的資金，將普通機床改造升級為數(shù)控機床，可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。

第2章總體設(shè)計方案的擬定要求將CA6140臥式車床改造成用廣數(shù)系統(tǒng)控制的經(jīng)濟型數(shù)控機床，采用伺服電動機半閉環(huán)控制，縱向和橫向均具有直線和圓弧查補功能。要求該車床增配自動回轉(zhuǎn)刀架和主軸編碼器，具有螺紋切削的功能。系統(tǒng)橫向分辨率達0.005mm。2.1設(shè)計參數(shù)1）機床最大加工直徑：在床身上400mm，在床鞍上210mm。2）最大加工長度：100mm。3）拖板及刀架重力：縱向：1000N，橫向：600N。4）刀架快移速度：縱向：2m/min，橫向：1m/min。5）最大進給速度：縱向：0.6m/min，橫向：0.3m/min。6）定位精度：0.015mm。7）主軸電機功率：7.5KW。8）啟動加速時間：30ms。9）最小分辨率：縱向：0.01mm，橫向：0.005mm。2.2總體方案的確定（1）系統(tǒng)的運動方式和伺服控制系統(tǒng)的選擇。由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、米/英制螺紋加工等功能，故選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計要求，采用伺服電機半閉環(huán)控制系統(tǒng)。（2）計算機控制系統(tǒng)的選擇。根據(jù)設(shè)計要求控制系統(tǒng)采用GSK980TA1系統(tǒng)。GSK980TA1是GSK980系列的最新產(chǎn)品之一，采用了32位嵌入式CPU和超大規(guī)?？删幊唐骷﨔PGA，運用實時多任務(wù)控制技術(shù)和硬件插補技術(shù)，實現(xiàn)μm級精度的運動控制，確保高速、高效率加工。在保持980系列外形尺寸及接口不變的前提下，采用7英寸彩色寬屏LCD及更友好的顯示界面，加工軌跡實時跟蹤顯示，增加了系統(tǒng)時鐘及報警日志。在操作編程方面，采用ISO國際標準數(shù)控G代碼，同時兼容日本發(fā)那科（FANUC）數(shù)控系統(tǒng)，國內(nèi)主流的編程方式，方便操作者更快、更容易使用本系統(tǒng)。GSK980TA1以最高的集成度、簡易的操作、簡單的編程命令，實現(xiàn)高速、高精及高可靠性，可匹配手脈（電子手輪）及手持單元、伺服主軸、六鑫刀架（帶就近換刀）等，具有中高性能數(shù)控系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的價格，是經(jīng)濟型數(shù)控車床的最佳選擇。其特點如下：=1\*GB3①程序預(yù)讀功能實現(xiàn)了切削速度最佳的加/減速控制系統(tǒng)預(yù)測控制可預(yù)讀多個加工程序段，實現(xiàn)了切削速度最佳的加/減速控制，從而有效地減少了工件形狀的轉(zhuǎn)角處或小半徑圓弧的伺服跟蹤誤差，并有效地提高加工速度和加工精度。=2\*GB3②彩色寬屏LCD有更大的視覺范圍，更豐富的顯示內(nèi)容車載視頻彩色LCD的采用，使顯示界面更豐富、更友好，視覺范圍更大，在較強光線的環(huán)境下仍能清晰看到系統(tǒng)顯示的內(nèi)容。=3\*GB3③倒角/倒圓角在程序中直接指令倒角長度或倒圓角的半徑等尺寸，簡化了部件加工程序的編制。=4\*GB3④具有輔助軸功能，可控制伺服電機進行定位匹配伺服主軸GSKDAP03時通過速度或位置模式的轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)主軸的高速旋轉(zhuǎn)及對主軸的精確定位與分度。=5\*GB3⑤加工軌跡圖形顯示功能反映工件坐標和刀具補償?shù)牡都廛壽E，進行跟蹤顯示。=6\*GB3⑥超大容量存儲器。超大容量存儲器，26M的存儲空間，最大500個加工程序，滿足多品種、多規(guī)格產(chǎn)品的加工需求。（一般數(shù)控系統(tǒng)的存儲空間≤100K，程序數(shù)量≤100個。）（3）機械傳動方式。為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用齒輪絲杠的減速方法；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副取代原車床絲杠；為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)；齒輪傳動也采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。經(jīng)濟型數(shù)控車床總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示：光電光電隔離功率放大光電隔離功率放大微機伺服電動機Z向伺服電動機X向床鞍及拖板中滑板圖2-1經(jīng)濟型數(shù)控車床總體結(jié)構(gòu)框圖2.3改造后機床的特點(1)具有與原機床一致的剛度與強度.(2)具有與原機床一致的加工范圍。(3)縱向進給直線度與原機床一樣，其運動精度則有數(shù)控系統(tǒng)和縱向電機、滾珠絲杠的精度保證。(4)橫向進給的直線度和運動精度全部有改造部分的制造和裝配精度保證。(5)可充分利用機床床身部分的已加工表面作為改造部分的定位和測量基準。(6)改造后的機床外型將類似于國產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控車床，整體較美觀、大方。

第3章數(shù)控系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計由于本車床經(jīng)改造后成為一臺專用數(shù)控車床，專用于加工車削軸類、盤類零件，因而用廣數(shù)GSK980TA1控制系統(tǒng)實現(xiàn)本數(shù)控系統(tǒng)功能。3.1數(shù)控系統(tǒng)的特點機床數(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?，F(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、GSK980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。選擇了GSK980TA1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GSK980TA1系統(tǒng)是可靠的數(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0～45℃，相對濕度75%短時可達95%,抗震為0.5，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，GSK980TA1系統(tǒng)的故障率為0.008，比較好地滿足了我國市場的要求。GSK980TA1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：GSK980TA1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：GSK980TA1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，從而避免了元部件的損壞。(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，使信號減少受外界來的干擾。3.2硬件設(shè)計采用CISC（超大規(guī)模集成電路）技術(shù)的GSP主板，主板上連接可插接(分離的)小模板。對于數(shù)控系統(tǒng)，由于其是弱電電路，如果采用+24VDC為電源輸入，可以大大降低其熱源和不穩(wěn)定因素。用戶可以把+24V穩(wěn)壓電源放在電氣柜內(nèi)，從而大大提高了整個數(shù)控系統(tǒng)的可命性能。GSK980TA1系統(tǒng)的可靠性好，性能/價格比高，在全國各地己銷售10余萬臺。隨著大規(guī)棋集成電路芯片的發(fā)展，GSK980TA1系統(tǒng)的破件結(jié)構(gòu)已經(jīng)改進過多次。目前銷售的TA1和TD，其硬件結(jié)構(gòu)基本一樣，只是控制軸數(shù)不同，所配置的進給軸驅(qū)動電機不同。GSK980TA1系統(tǒng)的CNC單元為大板結(jié)構(gòu)?；九渲糜兄靼?、存儲器板、I/O板、伺服軸控制板和電源。各板插在主板上，與CPU的總線相連。(1)主板主CPU在該板上。主CPU用于系統(tǒng)主控，原來用80386，從1998年起改用80486/DX2。此外，顯示的CRT控制也在該板上。(2)存儲器板該板上有：①系統(tǒng)的控制軟件ROM(共5片)。GSK980TA1系統(tǒng)可控制車床。不同類型的機床控制軟件不同；②伺服控制軟件ROM1片；③PMC-L的ROM芯片2片，用于存儲機床的強電控制邏輯程序；④RAM芯片，用于寄存CPU的中間運算數(shù)據(jù)，根據(jù)需安裝；⑤COMSRAM，用于存儲系統(tǒng)和機床參數(shù)、零件加工程序，根據(jù)用戶要求配置，最大可為128K字節(jié)。CMOSRAM與4.5V電池相連，關(guān)機時保存信息。(3)I/O板該板是CNC單元與機床強電柜的接口，接收或輸出24V直流信號，由PMC實施輸入/輸出控制，I/O點數(shù)可根據(jù)機床的復(fù)雜程度選擇，標準配置為104個輸入點，72個輸出點。(4)進給伺服控制板GSK980TA1系統(tǒng)全部用數(shù)字式交流伺服控制。其控制板裝在CNC單元內(nèi)，插在主板上，即CNC單元與進給伺服為一體化設(shè)計。伺服板上有2個CPU(TMS320)，用于伺服的數(shù)字控制。每個CPU控制2個軸，一塊板可控制4個軸。該板接受主CPU分配的伺服控制指令，輸出6個相位各差60°的脈寬調(diào)制信號(每軸)，加于各軸的伺服驅(qū)動的功率放大器上。TD系統(tǒng)為4軸(最大配里)控制，2軸聯(lián)動，只用一塊伺服板。(5)電源主要有5V直流電，用于各板的供電。24V直流電，用于單元內(nèi)各繼電器控制。除上述這些板外，還有圖形控制板、PMC-M板、遠程緩沖器(REMOTEBUFFER)板，這些板用戶可根據(jù)自身要求選訂。(6)PLC功能的內(nèi)部集成PLC功能的內(nèi)部集成化，提高了PLC和CNC的內(nèi)部通訊能力，增強了機床的邏輯控制，PLC的32輸入和24輸出模塊，可以和外圍的電路相連接，而這種模塊，通過陽M提供的電纜和剛M數(shù)控系統(tǒng)連接。這就提高了整個機床的可靠性。同時又提高了數(shù)控系統(tǒng)的保護(如果有間題，只能損壞這種模塊，不會對數(shù)控系統(tǒng)造成破壞)。光纖技術(shù)的通訊，可以擴展PLC輸入輸出點，通過光纖進行連接，簡化和線路的連接。(7)軸轉(zhuǎn)接模塊GSK980TA1提供了軸轉(zhuǎn)接模塊，機床的編碼器和到伺服的線路可以直接聯(lián)到此模塊，通過它再和數(shù)控系統(tǒng)的軸板進行連接。提高了數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，如果機床的軸有問題，可以直接把軸模塊上的插頭相對換，就能很快的查出問題所在(系統(tǒng)內(nèi)部或外部)。3.3軟件功能(1)CNC功能系統(tǒng)軟件的開放性和友好界面，幫助性的編程方式。定義的固定循環(huán)并使用戶很方便地根據(jù)其加工特性進行編寫自己的固定循環(huán)，用戶集成的G代碼功能。M功能和PLC功能的調(diào)用子程序，E參數(shù)(用戶可以通過E參數(shù)來讀取或改變CNC的數(shù)值)。強大的通訊功能(RS232IRS4221RS485)，邊加工邊傳輸功能。提高了計算機的CAD/CAM程序的加工能力。完善的絲杠螺距補償。GSK的螺距補償為線性補償，補償中僅把相應(yīng)的拐點坐標值輸入即可。并且沒有固定的距離和補償值的限制。(2)PLC功能梯形圖的PLC程序，多任務(wù)的PLC程序的編程結(jié)構(gòu)，提高了PLC程序的編寫和可讀性。梯形圖PLC程序在屏幕上的動態(tài)顯示，方便了最終用戶的維修。豐富的PLC和CNC交換信息量,PLC圖形界面的管理。(3)強大的編程軟件GSKCC軟件。Windows環(huán)境下并運行在PC計算機上，PLC程序的編寫工具，方便的機床程序管理。簡便的通訊能力(PCIONC間為主從關(guān)系，所有操作均在PC側(cè)完成)，動態(tài)的PLC程序顯示(PC側(cè))。GSKCC軟件Windows環(huán)境并運行在PC計算機。調(diào)整NC的機床參數(shù)和伺服系統(tǒng)，圖形的動態(tài)響應(yīng)，強大的優(yōu)化功能，方便地調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。3.3.1顯示GSK980TA1系統(tǒng)的顯示器480×234點陣，用彩色液晶顯示器(LCD),標準為5.7″。GSK980TA1系統(tǒng)有圖形顯示功能：①對編制的加工程序進行加工前的圖形模擬，模擬刀尖的軌跡或加工件的三維實體形狀:②在加工過程中顯示刀尖的軌跡，使操作員能夠監(jiān)視切削過程。圖形可局部放大，以便觀察細部。顯示圖形必須用圖形控制板，該板為專用微機，CPU用80186。3.3.2PMC控制PMC就是可編程序機床控制器，是專門用于控制機床的PLC。GSK980TA1系統(tǒng)的PMC只有47條指令〔基本指令有12條，功能指令有35條)?；局噶顬?進制位的邏輯運算，功能指令主要有數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)變換、譯碼和代數(shù)運算。GSK980TD系統(tǒng)用梯形圖編制PMC順序邏輯程序。由于有功能指令，使得PMC程序編制非常容易，簡捷。梯形圖可用下述兩種方法編制：①用專用的編輯卡利用LCD液晶顯示畫面在系統(tǒng)上現(xiàn)場編制。②在計算機上裝入專用軟件用計算機編制，然后經(jīng)RS-232C口將梯形圖程序傳送到數(shù)控系統(tǒng)。調(diào)試好的程序要用寫入器寫入EPROM。GSK980TA1系統(tǒng)PMC控制有FMC-L和PMC-M2種。PMC-L的處理機與主機共用，其處理時間為6/步，最大步數(shù)為5000步。PMC-M為專用處理機，徽處理器為80186，專用一塊板，插在主板上，處理時間為2us步，最大步數(shù)為8000步。2種PMC的掃描周期均為I6ms。3.3.3進給伺服驅(qū)動GSK980TA1系統(tǒng)進給軸的驅(qū)動使用交流同步電動機，目前為a系列。根據(jù)其負載特性和快速性分為:a(標準型)、am(高加速特性)、ac(經(jīng)濟型)和aL(低慣量型)。最大力矩為400。0-C配a型;0-D配置ac型。am加速特性好，從0至最高轉(zhuǎn)速的啟動過程為24ms，故用于高速加工。電機軸上裝有脈沖編碼器，每轉(zhuǎn)發(fā)出65536個脈沖(經(jīng)電路倍頻)，用做位置反饋和速度反饋。這種位置反饋，是間接測量工作臺的直線位移，所以稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。但是，只要設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)GSK980TA1系統(tǒng)可以使用直線光柵尺，使系統(tǒng)接成全閉環(huán)。除此之外，還可接成雙位置反饋，即同時具有上述2個閉環(huán)。這樣，既可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以提高系統(tǒng)的快逮性和加工精度。進給伺服單元的控制用前述的軸控制板，該板輸出控制指令信號到功率放大器。功率放大器為模塊化結(jié)構(gòu)，分為整流模塊和逆變模塊，使用IPM元件。LSI是專用位置控制大規(guī)模集成電路芯片。ROM中存儲的控制程序主要有同步電機的快速響應(yīng)矢量控制、IP調(diào)節(jié)器、速度和位里的反饋控制、前饋和提前前饋控制和狀態(tài)觀測器。此外，還有許多非線性補償與控制，如單脈沖抑制、超調(diào)抑制、反向間隙加速補償、機床的速度反饋等。還有運行過程的監(jiān)測及保護。由于有這些控制，使GSK980TA1系統(tǒng)運行可靠、快速、平穩(wěn)、精度高。3.3.4主軸驅(qū)動GSK980TA1系統(tǒng)可以同時控制2個主軸電動機，可以是2個數(shù)字式控制的電機，也可以一個為數(shù)字式，另一個為模擬式控制電機。模擬控制指令是0～10V的直流電壓。該系統(tǒng)的主軸電機為異步電機，目前為a系列。有以下品種;a:標準型，恒功率調(diào)速范圍4:1;aP：恒功率寬調(diào)速范圍型(8:1);aC經(jīng)濟型;aT：與主軸直連型。主軸電機的最大功率為37kW，最高轉(zhuǎn)速可達15000r/min，用數(shù)字式矢量控制。主軸驅(qū)動有速度控制和位置控制2種工作方式，普通加工為速度控制。主軸電機軸上裝有圓型的磁性傳感器，用做速度反饋。位置控制用于主軸同步、主軸定向、剛性攻絲、Cs軸輪廓控制。因此需要控制主軸的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)位，輪廓控制時要與其它軸插補。此時需在機床的主軸上裝位置編碼器，位置編碼器有光電式和磁性傳感器。普通為每轉(zhuǎn)發(fā)出1024個脈沖，高精度的發(fā)出360000個脈沖/轉(zhuǎn)。主軸控制用單獨的CPU控制，處理器為TMS-320。從CNC單元輸出的控制指令用一條光纜送到主軸的控制單元，數(shù)據(jù)為串行傳送，因此可靠性比較高。3.3.5RS-232C口及數(shù)據(jù)通訊GSK980TA1系統(tǒng)有2個串口(RS-232C)，分4個通道，用于系統(tǒng)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。交換的數(shù)據(jù)包括:系統(tǒng)及機床的設(shè)定參數(shù)、PMC參數(shù)、零件加工程序、刀具補償值、設(shè)定的工件坐標系、絲杠的螺補值等。與計算機相連時，計算機內(nèi)必須裝有數(shù)據(jù)傳送軟件。最快的傳送速率為9600bps。除上述的信息交換外，利用串行通訊還可實現(xiàn)下列方式的在線加工與機床的DNC管理:(1)紙帶方式的加工:加工復(fù)雜零件時，加工程序非常長，CNC的內(nèi)存容量不夠用，可將程序存于外設(shè)，如計算機的軟盤。用電纜將PC機與CNC經(jīng)串口連接后，啟動自動加工，CNC預(yù)讀15個程序段，開始加工。此后加工一段讀入一段，直至結(jié)束。(2)遠程緩沖(REMOTEBUFFER):上述方式雖然解決了長程序的存儲問題，但由于數(shù)據(jù)的邊讀入、邊處理、邊加工，所以加工速度慢。對于小程序段、快速加工，走刀有停頓現(xiàn)象，為此，開發(fā)了REMOTEBUFFER功能。該功能可實現(xiàn)數(shù)據(jù)塊的傳送，有2種工作方式:①計算機存儲的加工程序是通常的加工代碼指令方式。緩沖器接受后變?yōu)?進制，然后送到CNC執(zhí)行。②計算機存儲的加工程序是按2進制編制的。緩沖器收到后不經(jīng)轉(zhuǎn)換即送往CNC執(zhí)行。這2種方式都比紙帶方式的加工速度快，數(shù)據(jù)傳送速率最快為77900bps.最訣加工速度為15m/s，電纜最長可達100m(無調(diào)制解調(diào)器時)。(3)DNC2:它可使8臺CNC機床與主計算機遠程相連，實現(xiàn)多臺機床的加工監(jiān)控與管理。連接方式為點—點式，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為LVS2，傳送速率最高為19200bps。CNC與主計算機交換的信息除了系統(tǒng)和機床的參數(shù)、加工程序、加工的設(shè)定值外，還可傳送機床的工作狀態(tài)，如自動加工啟動、停止、加工中暫停、報警等。DNC2共設(shè)計了60多條指令。主計算機必須根據(jù)這些指令格式編制相應(yīng)的處理程序，編程語言用C。為方便用戶，可提供宏指令庫。3.3.6調(diào)機、維護與故障診斷(1)伺服參數(shù)設(shè)定與調(diào)整:為了方便調(diào)機，系統(tǒng)的CRT有進給伺服參數(shù)設(shè)定畫面和調(diào)整畫面。在參數(shù)的設(shè)定畫面上，只需設(shè)定初始化位、電機代碼等參數(shù)即可設(shè)定好所用電機的標準參數(shù)，使電機穩(wěn)定運行。其中的柔性變速比可設(shè)定電機與滾珠絲杠及位置反饋傳感器(脈沖編碼器)之間的齒輪傳動比。該變比可以不為整數(shù)。在伺服調(diào)整畫面上可以定量地讀出機床工作臺移動時各軸的伺服增益、伺服誤差及其變動情況。據(jù)此，可判斷系統(tǒng)運行是否穩(wěn)定、有無爬行以及跟隨精度等，根據(jù)情況進行適當?shù)恼{(diào)整。有故降時該畫面還顯示伺服的報警。(2)主軸參數(shù)設(shè)定:輸入主軸電機的代碼及初始化位即可設(shè)定好主軸電機的標準參數(shù)，電機即可穩(wěn)定運行。主軸運行有監(jiān)視畫面，在該畫面上可讀出主軸電機的轉(zhuǎn)速、負載百分比及主軸的轉(zhuǎn)速，從而可以省去通常的轉(zhuǎn)速表和負載表。(3)加工程序錯誤顯示:程序出錯時，CRT上顯示報警號。根據(jù)報警號可由說明書中查出錯誤原因，報警表是多年經(jīng)驗的積累，幾乎所有的編程錯誤都可從該表中查出。(4)運行故障顯示:CNC控制軟件的運行、硬件的各主要元件、伺服控制、主軸控制等出現(xiàn)故障時，CRT上均顯示相應(yīng)的報警號。GSK980TA1系統(tǒng)對這些故障有較好的保護。例如，伺服反饋斷線形成大開環(huán)時，既不會撞車，也不會損壞元件。(5)I/O信號診斷。CRT可顯示梯形圖，在該圖上可以檢查機床強電信號的工作。CRT還有診斷畫面，通過該畫面，根據(jù)信號的地址檢查0/1狀態(tài)變化，可判斷其是否正常工作。3.3.7系統(tǒng)的功能GSK980TA1系統(tǒng)為全功能型，下列一些功能增加了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和操作的方便:①Cs軸輪廓控制:可以省掉Cf軸，用主軸的轉(zhuǎn)動作為回轉(zhuǎn)坐標與其它直線軸插補，加工輪廓曲線。②剛性攻絲:Z軸進給與主軸轉(zhuǎn)動同步，不用彈簧卡頭實現(xiàn)攻絲，從而提高了螺紋的加工精度。③PMC軸控制:用梯形圖程序控制伺服進給軸，用于回轉(zhuǎn)軸分度或定量位置進給。0-C系統(tǒng)PMC可控制2個進給軸。④主軸雙刀架。⑤0.1um分辨率:系統(tǒng)分辨率標準設(shè)定為1urn?？捎脜?shù)設(shè)定為其1/10.⑥加工程序的后臺編輯:自動切削過程中可以編輯新的程序。⑦菜單編程。⑧圖形會話在線自動編程:有多種形式，最新的是符號指令形式，易學，易操作。有工藝參數(shù)語句。⑨用戶宏程序:一種參量編程軟件包，用來編制加工程序(適合于成組工藝)或者用其接口變量編制PMC程序，控制CNC的運行狀態(tài)。CNC是本系統(tǒng)的核心部分，用以完成人機對話與通訊，解釋機械加工語言，分配加工任務(wù)，以及協(xié)調(diào)各功能模塊的工作等。輔助控制部分包括機床的冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)與主軸運動等方面的控制。同時在主軸箱內(nèi)安裝編碼器，以構(gòu)成加工螺紋所需的主輸系統(tǒng)(c軸)。選用IOOOpmr的編碼器，由于主軸大齒輪為128齒(m=5)，故編碼器前端齒輪選用20齒，其速比為6.4:1,則主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，編碼器將返回6400個脈沖，經(jīng)四分頻后，每轉(zhuǎn)計數(shù)脈沖為25600，分辨率為50.625秒/脈沖，完全滿足數(shù)控系統(tǒng)對C軸的反饋精度要求。

第4章機床的電氣改造4.1數(shù)控系統(tǒng)電氣控制線的連接原機床已有一個電控柜，里面放置了開關(guān)、繼電器、接觸器等。根據(jù)改造后的電氣原理圖，設(shè)計制作電控柜，淘汰了原有的電控柜。GSK980TA1數(shù)控系統(tǒng)外圍接口棋塊如下:(1)RS-232通訊接口。(2)X軸,Z軸及主軸控制接口:用來控制X軸、Z軸伺服電機的運動及主軸的轉(zhuǎn)速。(3)編碼器反饋信號接口:用于與主軸電機的編碼器的連接，編碼器的作用是將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，從而實現(xiàn)了對主軸轉(zhuǎn)速的檢測，這在螺紋加工的時候是不可缺少的。(4)手搖脈沖發(fā)生器接口:實現(xiàn)手動、聯(lián)動切削。(5)開關(guān)量輸入輸出接口:輸入信號主要用于X、Z方向是否超程的檢測，刀架的位置檢測，坐標原點位置檢測等。輸出信號主要用于主軸的轉(zhuǎn)速控制，主軸的正、反轉(zhuǎn)或停止控制，主軸的冷卻液的開、閉控制，刀架正、反控制等，另外，輸入模塊除接受一般的24VDC開關(guān)量外，還可以接三線式的接近傳感器信號。這樣對該機床的一些三線式接近開關(guān)，提供了方便可靠的連接。(6)機床操作面板接口，GSK980TA1機床操作面板有多達39個自定義鍵。面板與系統(tǒng)采用光纖連接，結(jié)合該機床控制操作的自身特點要求，在機床立板上定義了一些操作鍵，完全滿足了機床控制的要求。(7)模擬輸入輸出及外部中斷接口.此接口為機床提供了一個靈活的模擬輸出口，便于與其它模塊相連。(8)密集型面板接口。可通過密集型面板進行參數(shù)設(shè)定。輸入零件加工程序，實時跟蹤加工情況。4.2數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部總線上數(shù)據(jù)信息的傳輸數(shù)控系統(tǒng)與功能模塊間的數(shù)據(jù)交換可方便地利用總線進行，系統(tǒng)中總線上的數(shù)據(jù)信息傳遞是通過公共數(shù)據(jù)區(qū)進行的，如數(shù)控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)寫入進給控制模塊的公共數(shù)據(jù)區(qū)，供模塊內(nèi)CPU隨時讀取，同樣進給控制模塊CPU發(fā)出數(shù)據(jù)信息也要寫入公共數(shù)據(jù)區(qū)，供數(shù)控系統(tǒng)隨時讀取。為了保證系統(tǒng)的高效運行，要求所傳輸?shù)拿總€數(shù)據(jù)信息都應(yīng)選用最有效率的信息，即是必須傳輸?shù)?，意義準確完整的，和盡量選用使用頻率高的信息，這有助于提高系統(tǒng)的可靠性，運行效率和減少信息傳輸費用。以下為機床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部總線上傳輸?shù)母鞣N信息。4.2.1數(shù)控系統(tǒng)與進給控制模塊間信息傳輸數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出:設(shè)定值?？刂茀?shù):PID調(diào)節(jié)參數(shù)，行程極限，速度極限?？刂谱?進給控制運行(運行、停止等)。進給控制給定:位置進給量、速度進給量進給控制模塊發(fā)出:運行狀態(tài):正常運行，加工受阻，停止加工。運行參數(shù):實測位置，實測轉(zhuǎn)速。4.2.2數(shù)控系統(tǒng)與輸入輸出模塊間信息傳輸數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出:主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定值。邏輯控制:控制刀架，冷卻泵，冷卻閥等。輸入輸出模塊發(fā)出:實測主軸轉(zhuǎn)速值。運動邏輯狀態(tài):刀具到位識別，液壓卡盤夾緊，主軸超速，機床原點，越位限制等。對上列數(shù)據(jù)信息，根據(jù)其表示方式與內(nèi)容要求，在控制系統(tǒng)中為它們各自分配存儲空間，設(shè)計傳輸通道。

第5章進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計計算5.1縱向機械傳動部分的數(shù)控化改造和設(shè)計計算（1）切削力的計算。由《機床設(shè)計手冊》可知，切削功率式中——主軸電動機功率，——主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.75～0.85，??；——進給系統(tǒng)功率系數(shù)，??；則 切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力和最大切削轉(zhuǎn)速來計算，即式中 ——主切削力（N）； ——切削速度（m/min）; 按最大切削速度計算，取m/min，則主切削力由《機床設(shè)計手冊》可知，在外圓車削時：，取縱向切削分力，橫向切削分力，則（2）滾珠絲杠設(shè)計計算=1\*GB3①螺紋滾道型面的選擇：單圓弧型面、雙圓弧型面。要求：經(jīng)濟、易調(diào)試、穩(wěn)定。方案：選用雙圓弧型面。原因：雙圓弧型面的接觸角不變，雙圓弧交接處尚有小空隙可容納一些臟物，這對滾珠絲杠有利而不致堵塞。=2\*GB3②滾珠循環(huán)方式：內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)。方案：選用外循環(huán)。原因：結(jié)構(gòu)簡單、工藝性優(yōu)良、適合成批生產(chǎn)、經(jīng)濟實用，適用于重載荷傳動、高速驅(qū)動及精密定位系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)。=3\*GB3③軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊力的選擇：墊片式、螺紋式、齒差式。要求：經(jīng)濟可靠、易拆裝、剛度高。方案：選用雙螺母墊片式預(yù)緊。原因：結(jié)構(gòu)簡單、裝卸方便、剛度高。（3）計算進給牽引力（N）?？筛鶕?jù)《機床設(shè)計手冊》中進給牽引力的試驗公式計算，縱向為三角形導(dǎo)軌，則式中 ——切削分力（N）； ——顛覆力矩影響的試驗系數(shù)，； ——滑動導(dǎo)軌摩擦因數(shù)，，??； ——溜板及刀架重力，。則（4）計算最大動載荷（N）其中式中——壽命，以為1單位；——絲杠轉(zhuǎn)速；——滾珠絲杠導(dǎo)程；

——最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的1/3～1/2，本機床取1/2；——運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)，??；——硬度系數(shù)，為60時，=1，小于60時，>1，本機床取1；——使用壽命，按15000h計算。則（5）選擇滾珠絲杠螺母副。查《機械零件設(shè)計手冊》，根據(jù)（是絲杠的額定載荷，見表5—1）的原則，使選取的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷。由上面初選絲杠導(dǎo)程及計算所得的最大動載荷，選取絲杠型號為CDM4006—5的額定動載荷為28771N>12485.8N，故強度足夠。CDM4006—5型號滾珠絲杠具體參數(shù)見表5—1。表5—1 CDM4006—5型號滾珠絲杠具體參數(shù)公稱直徑/mm導(dǎo)程/mm鋼球直徑/mm絲杠外徑/mm螺紋底徑/mm額定載荷/N接觸剛度/(N/)4063.96939.535.128770959702191螺母安裝連接尺寸/mm71—110901591591385473M6（6）滾珠絲杠的驗算1）傳動效率計算。根據(jù)《機械原理》，絲杠螺母副的傳動效率為式中 ——摩擦角，； ——螺旋升角，根據(jù)，可得。則2）剛度驗算。滾珠絲杠工作時受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，將引起導(dǎo)程的變化，因滾珠絲杠受轉(zhuǎn)矩時引起的導(dǎo)程變化很小，可忽略不計，所以工作負載引起的導(dǎo)程變化量為式中 ——材料彈性模量，對于鋼，（）； ——滾珠絲杠的截面積，按絲杠螺紋底徑確定，即，則 ——滾珠絲杠導(dǎo)程，。其中，“+”用于拉伸時，“—”用于壓縮時。 滾珠絲杠受轉(zhuǎn)矩引起的導(dǎo)程變化很小，可以忽略不計，即，所以導(dǎo)程變形總誤差為式中 ——縱向最大行程，由《機床說明書》可知，。則 由《機床說明書》可知，絲杠縱向有效行程為900mm，且絲杠精度等級為3級，查《機械零件設(shè)計手冊》電子版（有效行程內(nèi)的目標行程公差和行程變動量見表5—2），縱向行程允許的行程變動量為17，CDM4006—5的為12.2<17,故剛度足夠。表5—2 有效行程內(nèi)的目標行程公差和行程變動量有效行程精度等級12345大于至—3156688121216162323800100011915132117292540333）穩(wěn)定性校核。要使?jié)L珠絲杠不失穩(wěn)的條件是：臨界負載荷。根據(jù)公式式中 ——絲杠支承方式系數(shù)，查《機械零件設(shè)計手冊》可知，（雙推簡支）； ——材料彈性模量，對于鋼，（）； ——絲杠兩支承端距離，查《機械零件設(shè)計手冊》可知，CDM4006—5絲杠兩支承端距離為1600mm=160cm； ——滾珠絲杠的靜安全系數(shù)，??； ——截面慣性矩。，其中 ——滾珠絲杠的公稱直徑，； ——滾珠絲杠的滾珠直徑，。則（7）確定齒輪傳動比?？捎墒接嬎?。其中；參考《實用微電機手冊》，初選；，則可選定齒輪齒數(shù)為 齒輪材料采用40，調(diào)質(zhì)處理，精度等級取7級，前后軸承選用8024型流動軸承，齒輪傳動時效率為。 由于進給運動齒輪受力不大，且根據(jù)優(yōu)先選用第一系列的原則，取模數(shù)，由經(jīng)驗公式可知，齒寬，則分度圓直徑分別為中心距：（8）伺服電機的計算與選擇1）負載轉(zhuǎn)矩（）及最大靜轉(zhuǎn)矩（）的計算。根據(jù)能量守恒原理，電動機等效負載轉(zhuǎn)矩可按下式估算：若不考慮起動時運動部件慣性的影響，則起動轉(zhuǎn)矩為取安全系數(shù)為0.3，則查《實用微電機手冊》，根據(jù)加工要求選擇伺服電機的起動轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，則2）初選伺服電機型號。查廣州數(shù)控進給伺服電機相關(guān)型號及信息，根據(jù)估算出來的最大靜轉(zhuǎn)矩，可初選130SJT-M060D型伺服電機，其最大靜轉(zhuǎn)矩為18，基本可滿足要求。3）各種工況下轉(zhuǎn)矩計算=1\*GB3①負載動慣量計算。折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量按下式計算。式中 ——折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量（）； ——齒輪的轉(zhuǎn)動慣量（）； ——齒輪的轉(zhuǎn)動慣量（）； ——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（）； ——重力加速度。對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量按下式估算：式中 ——圓柱形零件的直徑； ——零件軸向長度。則=2\*GB3②快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩。因數(shù)控機床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機最大靜轉(zhuǎn)矩時，應(yīng)滿足快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩的要求：式中 ——快速空載起動時所需的轉(zhuǎn)矩（）； ——克服摩擦所需的轉(zhuǎn)矩（）； ——絲杠預(yù)緊所引起的折算到電動機軸上的附加轉(zhuǎn)矩（）。 由動力學可知：其中，，為加速度時間常數(shù)，，。則式中 ——預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的1/3，即則=3\*GB3③快速移動時所需轉(zhuǎn)矩。=4\*GB3④最大切削負載時所需轉(zhuǎn)矩。 從上式可以看出，快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩、快速移動時所需轉(zhuǎn)矩和最大切削負載時所需轉(zhuǎn)矩三種工況下，快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩最大。所以，此項作為校核初選電動機的依據(jù)，由前面查得結(jié)果可知，起動轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系：，則=5\*GB3⑤伺服電動機的最高工作頻率。 由以上選型及計算，最終選用80SJT-M024C型伺服電動機，其主要參數(shù)見表5—3。表5—380SJT-M024C型伺服電動機參數(shù)額定功率（）0.5驅(qū)動單元輸入電（）AC220額定電壓（）3零速轉(zhuǎn)矩（）2.4額定轉(zhuǎn)矩（）2.4最大轉(zhuǎn)矩（）7.2額定轉(zhuǎn)速（）2000最高轉(zhuǎn)速（）2500極對數(shù)4轉(zhuǎn)動慣量（）重量（）3.15.2橫向機械傳動部分的數(shù)控化改造和設(shè)計計算（1）切削力的計算。因為橫向進給量為縱向的1/3～1/2，取1/2，則橫向主切削力約為縱向的1/2。 由《機床設(shè)計手冊》可知，其經(jīng)驗公司為式中 ——橫切端面的進給力； ——背向力。（2）滾珠絲杠設(shè)計計算滾珠絲杠的選型方案可參照縱向機械傳動部分的數(shù)控化改造和設(shè)計計算中的選型方案及選擇原因選擇橫向滾珠絲杠，即1）螺紋滾道型面選用雙圓弧型面。2）滾珠循環(huán)方式選用外循環(huán)。3）軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊力選用雙螺母墊片式預(yù)緊。

（3）計算進給牽引力（N）?？筛鶕?jù)《機床設(shè)計手冊》中進給牽引力的試驗公式計算，橫向為燕尾形導(dǎo)軌，則則（4）計算最大動載荷（N），由得：（5）選擇滾珠絲杠螺母副。根據(jù)（是絲杠的額定載荷，見表5—4）的原則，使選取的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷，查《機械零件設(shè)計手冊》電子版，由上面初選絲杠導(dǎo)程及計算所得的最大動載荷，選取絲杠型號為CDM2004—5，其表示外循環(huán)插管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式的滾珠絲杠，公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為4mm，右旋螺紋，載荷鋼球為5圈，精度3級的定位滾珠絲杠副，CDM2004—5的額定動載荷10639N>8824.4N，故強度足夠。CDM2004—5型號滾珠絲杠具體參數(shù)見表5—4。表5—4 CDM2004—5型號滾珠絲杠具體參數(shù)公稱直徑/mm導(dǎo)程/mm鋼球直徑/mm絲杠外徑/mm螺紋底徑/mm額定載荷/N接觸剛度/(N/)2042.38119.717.010639287221178螺母安裝連接尺寸/mm40—6653115.81061003943M6（6）滾珠絲杠的驗算1）傳動效率計算。根據(jù)《機械原理》，絲杠螺母副的傳動效率為式中 ——摩擦角，； ——螺旋升角，根據(jù)，可得。則2）剛度驗算。滾珠絲杠工作時受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，將引起導(dǎo)程的變化，因滾珠絲杠受轉(zhuǎn)矩時引起的導(dǎo)程變化很小，可忽略不計，所以工作負載引起的導(dǎo)程變化量為式中 ——材料彈性模量，對于鋼，； ——滾珠絲杠的截面積，按絲杠螺紋底徑確定，即，則 ——滾珠絲杠導(dǎo)程，。其中，“+”用于拉伸時，“—”用于壓縮時。 滾珠絲杠受轉(zhuǎn)矩引起的導(dǎo)程變化很小，可以忽略不計，即，所以導(dǎo)程變形總誤差為：式中 ——縱向最大行程，由《機床說明書》可知，。則由《機床說明書》可知，絲杠縱向有效行程為900mm，且絲杠精度等級為3級，查《機械零件設(shè)計手冊》電子版有效行程內(nèi)的目標行程公差和行程變動量見表5—5，縱向行程允許的行程變動量為12，CDM4006—5的為10.78<12,故剛度足夠。表5—5 有效行程內(nèi)的目標行程公差和行程變動量（單位：）有效行程精度等級12345大于至—3156688121216162323800100011915132117292540333）穩(wěn)定性校核。要使?jié)L珠絲杠不失穩(wěn)的條件是：臨界負載荷。根據(jù)公式式中 ——絲杠支承方式系數(shù)，查《機械零件設(shè)計手冊》可知，（雙推簡支）； ——材料彈性模量，對于鋼，； ——絲杠兩支承端距離，查《機械零件設(shè)計手冊》可知，CDM2004—5絲杠兩支承端距離為600mm=60cm； ——滾珠絲杠的靜安全系數(shù)，取； ——截面慣性矩。，其中 ——滾珠絲杠的公稱直徑，； ——滾珠絲杠的滾珠直徑，。則（7）確定齒輪傳動比?？捎墒接嬎?。其中；參考《實用微電機手冊》，初選；，則可選定齒輪齒數(shù)為齒輪材料采用40，調(diào)質(zhì)處理，精度等級取7級，前后軸承選用8024型流動軸承，齒輪傳動時效率為。由于進給運動齒輪受力不大，且根據(jù)優(yōu)先選用第一系列的原則，取模數(shù)，由經(jīng)驗公式可知，齒寬，則分度圓直徑分別為中心距（8）伺服電機的計算與選擇1）負載轉(zhuǎn)矩（）及最大靜轉(zhuǎn)矩（）的計算。根據(jù)能量守恒原理，電動機等效負載轉(zhuǎn)矩可按下式估算：若不考慮起動時運動部件慣性的影響，則起動轉(zhuǎn)矩為取安全系數(shù)為0.3，則查《實用微電機手冊》，根據(jù)加工要求選擇伺服電機的起動轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，則2）初選伺服電機型號。查廣州數(shù)控進給伺服電機相關(guān)型號及信息，根據(jù)估算出來的最大靜轉(zhuǎn)矩，可初選80SJT-M032C型伺服電機，其最大靜轉(zhuǎn)矩為9.6，基本可滿足要求。3）各種工況下轉(zhuǎn)矩計算=1\*GB3①負載動慣量計算。折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量按下式計算。式中 ——折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量（）； ——齒輪的轉(zhuǎn)動慣量（）； ——齒輪的轉(zhuǎn)動慣量（）； ——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（）； ——重力加速度。對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量按下式估算：式中 ——圓柱形零件的直徑； ——零件軸向長度。則=2\*GB3②快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩。因數(shù)控機床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機最大靜轉(zhuǎn)矩時，應(yīng)滿足快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩的要求：式中 ——快速空載起動時所需的轉(zhuǎn)矩（）； ——克服摩擦所需的轉(zhuǎn)矩（）； ——絲杠預(yù)緊所引起的折算到電動機軸上的附加轉(zhuǎn)矩（）。 由動力學可知：其中，，為加速度時間常數(shù)，，。則式中 ——預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的1/3，即則=3\*GB3③快速移動時所需轉(zhuǎn)矩。=4\*GB3④最大切削負載時所需轉(zhuǎn)矩。從上式可以看出，快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩、快速移動時所需轉(zhuǎn)矩和最大切削負載時所需轉(zhuǎn)矩三種工況下，快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩最大。所以，此項作為校核初選電動機的依據(jù)，由前面查得結(jié)果可知，起動轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系：，則=5\*GB3⑤伺服電動機的最高工作頻率。由以上選型及計算，最終選用80SJT-M032C型伺服電動機，其主要參數(shù)見表5—6。表5—680SJT-M032C型伺服電動機參數(shù)額定功率（）0.66驅(qū)動單元輸入電（）220額定電壓（）5零速轉(zhuǎn)矩（）3.2額定轉(zhuǎn)矩（）3.2最大轉(zhuǎn)矩（）9.6額定轉(zhuǎn)速（）2000最高轉(zhuǎn)速（）2500極對數(shù)4轉(zhuǎn)動慣量（）重量（）3.7

第6章主運動傳動系統(tǒng)總體方案的設(shè)計6.1主運動傳動系統(tǒng)的設(shè)計

主傳動系統(tǒng)的設(shè)計主要是根據(jù)變速傳動系統(tǒng)的不同類型而決定的，而變速系統(tǒng)的類型應(yīng)兼顧縮短變速所需的時間并能簡化傳動系統(tǒng)機構(gòu)等因素綜合來選擇、設(shè)計。變速系統(tǒng)的類型主要有三種：6.1.1無級變速傳動系統(tǒng)

無級變速傳動系統(tǒng)是指執(zhí)行件的轉(zhuǎn)速（或速度）在一定的范圍內(nèi)連續(xù)地變化，這樣可以使執(zhí)行件獲得最有利的速度，能在系統(tǒng)運轉(zhuǎn)中變速，也便于實現(xiàn)自動化等。機械系統(tǒng)中常用的無級變速裝置有以下三種。（1）機械無級變速器

機械無級變速器有鋼球式（科普型）、寬帶式等多種結(jié)構(gòu)，它們是依靠摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩，通過連續(xù)地改變摩擦傳動副的工作半徑來實現(xiàn)無級變速。由于其結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、噪聲小、使用維修方便、效率高，所以在各類機械（如機床、印刷機械、電工機械、鐘表機械、輕工機械、紡織機械、塑料機械、化工機械等）中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于摩擦副的彈性滑動，存在轉(zhuǎn)速損失，故不能用于調(diào)速精度高的場合。另外，它的變速范圍小，通常變速范圍Rb為4～6，少數(shù)可達10～15，因此，為了滿足執(zhí)行件變速范圍的需要，常串聯(lián)有級變速機構(gòu)（如齒輪變速箱）。（2）液壓無級變速裝置

液壓無級變速裝置是利用油液為介質(zhì)來傳遞動力，通過連續(xù)改變輸入液動機（或油缸）的油液流量來實現(xiàn)無級變速。它的傳動平穩(wěn)、運動換向沖擊小、易于實現(xiàn)直線運動。因此，常用于執(zhí)行件要求直線運動的機械系統(tǒng)中。如刨床、拉床的主運動以及組合機床的動力滑臺等。（3）電氣無級變速裝置

電氣無級變速裝置是以直流并勵電動機、交流變頻電動機或交、直流伺服電動機、步進電動機等為動力源，通過連續(xù)地變換這些電動機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)無級調(diào)速。

機械系統(tǒng)中的執(zhí)行件在工作過程中,要求在整個變速范圍內(nèi)為功率、轉(zhuǎn)矩特性不同，而電動機的功率、轉(zhuǎn)矩特性必須與之適應(yīng)，但是，不論是直流并勵電動機、交流變頻電動機或是交、直流伺服電動機，只是在額定轉(zhuǎn)速以上至最高轉(zhuǎn)速之間為恒功率調(diào)速，變速范圍小，而在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩的，變速范圍很寬。如果執(zhí)行件要求在整個變速范圍內(nèi)為恒功率調(diào)速，上述的無級調(diào)速器均不能適應(yīng)，則須串聯(lián)一個有級變速裝置來擴大恒功率調(diào)速范圍，如一些大型機床（立式車床、龍門刨床、鏜床等）和數(shù)控機床以及數(shù)控纖維纏繞機，數(shù)控布帶纏繞機等的主運動。而對于數(shù)控機床的直線進給運動，則要求在整個變速范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩，此時可通過簡單的固定傳動鏈與執(zhí)行件相連來滿足要求。6.1.2有級變速傳動系統(tǒng)由滑移齒輪、交換齒輪、交換皮帶輪等變速傳動副組成的傳動系統(tǒng)可使執(zhí)行件得到若干個所需要的轉(zhuǎn)速，這種變速在范圍內(nèi)不能連續(xù)地變速，屬于有級變速。它傳遞的功率大，變速范圍寬，傳動比準確，工作可靠，但有轉(zhuǎn)速損失。有級變速較廣泛地應(yīng)用于通用機床，尤其是中小型通用機床中。6.1.3固定傳動比的傳動系統(tǒng)

如果機械系統(tǒng)的執(zhí)行件要求以某一固定的轉(zhuǎn)速（速度）工作，則連接動力源與執(zhí)行件的傳動系統(tǒng)屬于固定傳動比的傳動系統(tǒng)，既該系統(tǒng)是由若干個固定傳動比串聯(lián)組成。經(jīng)過調(diào)研、查閱資料可知，大部分數(shù)控機床采用分級變速機構(gòu)，并采用電磁離合器進行自動變速，而經(jīng)濟型數(shù)控機床大多數(shù)是在原有普通機床的基礎(chǔ)上進行改進，并采用簡單的數(shù)控系統(tǒng)變速進給機構(gòu)，自動刀架，具有經(jīng)濟的突出特點，現(xiàn)在這種機床在小型、私營企業(yè)正被大量使用，但也存在一些如在加工過程中不能自動變速等缺點，為了使能設(shè)計的機床在時常上更具競爭力，因此采用無級變速傳動系統(tǒng)中的機械無級變速器。但是光靠機械無級變速器變速范圍較窄，不能滿足100～4000r/min的設(shè)計要求，為了擴大機床的變速范圍，常在無級變速系統(tǒng)后面串聯(lián)分級變速機構(gòu)。在本設(shè)計中，采用的是無級變速與分級變速綜合的分級變速系統(tǒng)。這種變速方式是在大、中型數(shù)控機床中采用較多的一種變速方式，常通過幾對齒輪降速，增大輸出扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求。部分小型數(shù)控機床也采用這種傳動方式，以獲得強力切削時所需的扭矩。6.2電動機的選擇6.2.1.電動機工作方式的確定

電動機工作時會發(fā)熱，它不僅取決于負載的大小，也和負載持續(xù)的時間的長短密切相關(guān)，這是選擇額定功率時必須考慮的。按電動機的不同發(fā)熱情況，可以分為三種工作方式（或稱工作制），即連續(xù)工作方式、短時工作方式和斷續(xù)周期性工作方式。本設(shè)計的數(shù)控儀表車床其工作時間一般較長，溫升可以達到穩(wěn)定值，電機的負載可能是恒定或大小基本恒定的常值負載或變化負載，因此屬于連續(xù)工作方式。6.2.2電動機類型的確定由于電動機為連續(xù)工作方式，負載平穩(wěn)，且經(jīng)常啟動、制動和正反轉(zhuǎn)，因此因優(yōu)先采用鼠籠式異步電動機。6.2.3電動機型號的選擇

根據(jù)設(shè)計要求主電動機功率為7.5kw，且電動機類型為異步電動機，根據(jù)參考書籍《機械零件設(shè)計手冊》，選擇電動機型號為Y132M－4的電動機。其主要技術(shù)數(shù)據(jù)為：額定功率P=7.5kw，轉(zhuǎn)速1440/min，電流15.4A，效率為87%，功率因素0.85cosφ，最大額定轉(zhuǎn)矩2.2N·m，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩2.2，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量0.296GD/N.m，重量81kg。6.3箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計箱體材料選用中等強度的灰鑄鐵HT200。箱體鑄造時的最小壁厚根據(jù)其外形輪廓尺寸而定，其外形尺寸為長、寬、高（500、500、300mm）。為了減少材料、減輕重量，應(yīng)選擇較小尺寸。而為了減小箱體的傳聲作用，降低噪聲，則應(yīng)適當增加箱壁厚度，以增加阻尼系數(shù)。為此，選取壁厚為14mm。由于箱體軸承孔的影響，將使扭轉(zhuǎn)剛度下降，彎曲剛度也將下降。為了使其有足夠的剛度，凸臺厚度為16mm。箱體在床身上的安裝方式，采用固定式安裝。用箱體底部平面與底部突起的兩個小垂直面定位，并用螺釘和壓板固定。6.4主軸脈沖發(fā)生器的安裝（1）主軸脈沖發(fā)生器是為了加工螺紋而安裝的主軸檢測裝置，它與主軸轉(zhuǎn)速嚴格同步。微機從主軸脈沖發(fā)生器中取出與螺距相應(yīng)的脈沖數(shù)，使主軸旋轉(zhuǎn)角度與進給量保持一定的關(guān)系，確保螺距的正確性。螺紋切削時的傳動路線為：主軸齒輪副脈沖發(fā)生器數(shù)控裝置電動機縱向進給機構(gòu)（2）找到與主軸同步的輸出軸，根據(jù)實際空間的大小，現(xiàn)場配作主軸脈沖發(fā)生器。（3）主軸脈沖發(fā)生器選用1200線即可。

第7章刀架的選型采用南京大地數(shù)控有限公司生產(chǎn)的LD4－ck0620四方刀架,安裝在原機床小刀架的位置上較為合適。刀架的動作順序如下:電動機(三相異步微型電動機)→減速機構(gòu)(蝸輪蝸桿)→上升機構(gòu)(螺旋機構(gòu))→刀架旋轉(zhuǎn)→電器信號確定(霍爾元件)→電機反轉(zhuǎn)→粗定位(反靠盤)→刀架下降→精定位→刀架鎖緊→換刀終了信號→執(zhí)行加工程序。其原理圖與螺旋升降轉(zhuǎn)位刀架相似圖7-1螺旋升降轉(zhuǎn)位刀架圖圖7-2LD4－ck0620四方刀架外形及結(jié)構(gòu)圖表7-1LD4－ck0620四方刀架參數(shù)表外形尺寸及安裝尺寸:型號\尺寸AEDBFC12248228015852649487892481388060技術(shù)參數(shù)：型號電動功率W電機轉(zhuǎn)速r/min夾緊力T重復(fù)定位精度mm壽命（次）換刀時間（s）3014000.2≤0.005＞3000002.533.5LD4型系列立式電動刀架采用渦輪蝸桿傳動，上下齒盤嚙合，螺桿夾緊的工作原理。具有轉(zhuǎn)位快，定位精度高，切向扭矩大的優(yōu)點。發(fā)信轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位采用霍爾元件，使用壽命長。并且完全滿足刀架設(shè)計使用的要求，即A夾緊力在4000N以上,B需要進行四個方位的轉(zhuǎn)換選擇,C重復(fù)定位精度不大于0.005mm。

第8章設(shè)計小結(jié)8.1優(yōu)缺點分析本設(shè)計利用GSK980A1系統(tǒng)實現(xiàn)了CA6140機床的改造，將原來的普通車床改造成了經(jīng)濟型數(shù)控車床。本設(shè)計的優(yōu)點在于改造成本相對較低，操控起來相對比較簡便，并且在精度上已能滿足普通車床改造后加工零件的精度要求。不足之處在于：機床改造部分不是很全面；機床采用的是半閉環(huán)控制系統(tǒng)，這樣就使得在精度上沒能更進一步。隨著自動控制技術(shù)，計算機及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，普通車床的改造將進一步完善，加工范圍將進一步擴展。8.2設(shè)計的改進及擴展本設(shè)計未對主軸進行改造，此車床還可以對主軸進行一些改進（例如：液壓卡盤，主軸變速裝置等）。本設(shè)計主要針對軟、硬件選型、電氣部分進行了詳細設(shè)計，而硬件部分具體的裝配工藝及要求未設(shè)計進去。

總結(jié)本次設(shè)計于2011年9月30日開始，于2011年11月25日完成，經(jīng)過55天的時間完成了CA6140車床的數(shù)控改造設(shè)計。本課題的主要任務(wù)是完成對普通車床的數(shù)控化改造，當然，數(shù)控化改造并不是簡單的裝上數(shù)控裝置就行了，它是一項繁瑣的工作。我的設(shè)計和改造任務(wù)主要包括主運動和進給運動的改造設(shè)計，通過改造使其具有數(shù)控機床的一般特性。應(yīng)該來說，對普通車床的數(shù)控化改造具有一定的經(jīng)濟性和可行性。目前機床數(shù)控化改造的市場在我國還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機床數(shù)控化率不到3％。用普通機床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。在設(shè)計過程中，我也學到了很多東