c6160普通車床數(shù)控改造（橫向與縱向進給）含開題及3張CAD圖

c6160普通車床數(shù)控改造（橫向與縱向進給）含開題及3張CAD圖,c6160,普通,車床,數(shù)控,改造,橫向,縱向,進給,開題,cad c6160 普通車床數(shù)控改造（橫向與縱向進給） 摘要 伴隨著科學技術的快速發(fā)展，數(shù)控機床已成為衡量一個國家機械制造工業(yè)水平 的重要標志。對普通機床進行數(shù)控改造，尤其適應我國機床擁有數(shù)量大，生產(chǎn)規(guī)模 小的具體國情。這樣不但可以使改造后的機床滿足技術發(fā)展的需求，提高生產(chǎn)率和 產(chǎn)品精度，增大設備適應能力和型面加工范圍，還可彌補定購新的數(shù)控機床交貨周 期長的不足。所以用此方法對我國中、小型企業(yè)來說是十分理想的選擇。 在數(shù)控機床的逐漸普及的過程中，數(shù)控系統(tǒng)的價格不斷降低，使得舊機床進行 數(shù)控化改造的優(yōu)點更明顯，促使越來越多的機械加工廠選擇舊機床數(shù)控改造作為設 備更新的途徑。世界各國，包括許多工業(yè)發(fā)達的國家相繼成立了機床修復公司，翻 新公司或改造公司，承擔舊機床數(shù)控改造的任務，并成功地改造了一些大型和重型 機床。 本文對 C6160 普通車床進行數(shù)控化改造進行了深入研究，主要在橫向進給系統(tǒng)和縱 向進給系統(tǒng)倆方面進行改造。通過對原有主要技術參數(shù)、傳動系統(tǒng)、機床關鍵部件 參數(shù)的計算，對原機床主傳動和刀架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行數(shù)控化改造設計、對機床改造方 案的選擇以及在改造中應注意的事項等進行了詳細的論述。最終經(jīng)過改造后的機床 已達到預期的功能和精度，完全能夠達到預期效果。提高了原機床的生產(chǎn)效率，降 低了勞動強度，改造后的機床性能更加穩(wěn)定可靠，可以有效提高工件加工精度和生 產(chǎn)效率。 關鍵詞：普通車床；數(shù)控化改造；橫向進給系統(tǒng)；縱向進給系統(tǒng) Abstract With the rapid development of science and technology, CNC machine tools have become an important symbol to measure the level of a countrys machinery manufacturing industry. NC transformation of ordinary machine tools, especially to adapt to Chinas large number of machine tools, small production scale of specific national conditions. It can not only make the machine modified to meet the needs of technology development, improve the productivity and increase the precision, adaptability and surface processing equipment, also can make up the order new NC machine short delivery period. Therefore, this method is very ideal for our medium and small enterprises. The popularity of CNC machine tools CNC system, continue to lower prices, because of the advantages of old CNC machine tools for the transformation of the more obvious, more and more mechanical processing plant selection of NC transformation of the old machine as a way of updating equipment. All over the world, including many developed countries have set up a machine repair, renovation company or transformation of the company, undertake the NC transformation of the old machine, and successfully transformed some large and heavy machine tool. In this paper, the NC transformation of C6160 lathe has been studied deeply, mainly in the main drive system and the electric tool rest. Through the calculation of the original main technical parameters, transmission system, key parts of the machine tool parameters, selection of NC transformation, and the performance of the machine tool after the transformation is more stable and reliable, and the machining accuracy and the production efficiency of the workpiece can be effectively improved. Key words: Centre lathe; Numerical control transformation; Surfacing feed; Longitudinal feed 目錄 第 1 章 概 論 .........................................................................................................................1 1.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史 .......................................................................................................1 1.2 國內(nèi)數(shù)控機床狀況分析 ...............................................................................................1 1.3 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 ...................................................................................................1 第 2 章 普通車床的數(shù)控改造和可行性論證 .......................................................................3 2.1 車床的數(shù)控改造 ...........................................................................................................3 2.1.1 數(shù)控機床工作原理及組成 ....................................................................................3 2.1.2 設計內(nèi)容及任務 ....................................................................................................3 2.1.3 數(shù)控部分的設計與改造 ........................................................................................4 2.1.4 機械改造部分的設計 ............................................................................................4 2.2 可行性論證 ...................................................................................................................4 第 3 章 總體設計方案的確定 ...............................................................................................7 3.1 總體設計方案 ...............................................................................................................7 第 4 章 橫向縱向進給系統(tǒng)的改造設計與計算 ...................................................................9 4.1 橫向縱向進給系統(tǒng)的組成原理和要求 .......................................................................9 4.2 橫向縱向進給系統(tǒng)進給機構(gòu)的設計內(nèi)容和設計計算 .............................................10 4.3 縱向進給系統(tǒng)的設計與計算 .....................................................................................11 4.4 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算 .....................................................................................18 第 5 章 數(shù)控系統(tǒng)的選擇設計 .............................................................................................25 5.1 典型機床數(shù)控裝置的硬件組成 .................................................................................25 總 結(jié) .....................................................................................................................................29 附 錄 .....................................................................................................................................31 參考文獻 ...............................................................................................................................41 致 謝 .....................................................................................................................................43 呂梁學院本科畢業(yè)設計 - 1 - 第 1 章概論 1.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史 世界上第一臺計算機誕生于 1946,這表明人類創(chuàng)造了可以增強和部分取代腦力勞 動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)和工業(yè)社會中所創(chuàng)造的工具相比,只做了一次質(zhì)的飛躍,它 僅僅是加強體力勞動,為人類進入信息社會奠定了基礎。6 年后,1952 年,計算機技術應 用于機床,第一臺數(shù)控機床誕生于美國。從此,傳統(tǒng)機床發(fā)生了質(zhì)的變化。近半個世紀 以來,數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 1.2 國內(nèi)數(shù)控機床狀況分析 1.2.1 國內(nèi)數(shù)控機床現(xiàn)狀 國產(chǎn)數(shù)控機床的地位近年來我國數(shù)控機床的占有率逐年增加,在大中型企業(yè)中有較 多的使用,在中小型企業(yè)甚至在個別企業(yè)中也被廣泛使用。在這些數(shù)控機床中,除了少 量的機床集成在 FMS 模式之外,大多數(shù)機床處于單一的運行狀態(tài),有些機床處于低效 率和落后的管理狀態(tài)。2001,中國機床工業(yè)產(chǎn)值已躍居世界第五位。世界機床消費量 上升到第三美元,高達 47 億 3900 萬美元,僅次于 53 億 6700 萬美元,消費量比去年增長 了 25%。但是,由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求,中國機床的進口量逐年增加。 2001,進口機床躍升至世界第二位,高達 24 億 600 萬美元,比上年增長 27.3%。近年來, 有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控專用加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形彎板機、數(shù)控 壓鑄機等。普通機床有鉆床、鋸床、插裝機、拉絲機、組合機床、液壓機、木工機 床等。數(shù)控機床出口品種主要以中低檔為主。 1.2.2 中國數(shù)控機床的特點 (1)新產(chǎn)品開發(fā)取得重大突破,技術含量高的產(chǎn)品處于領先地位。 (2)數(shù)控機床的輸出量顯著增加,數(shù)控加工率顯著提高。2001 年度國內(nèi)數(shù)控切割機 床產(chǎn)量已達 1 萬 8000 臺,比上年增長 28.5%。黃金切削機床行業(yè)的數(shù)控率由 2000 的 17.4%提高到 2001 的 22.7%。 (3)數(shù)控機床開發(fā)的關鍵配套產(chǎn)品取得了突破性進展。 1.3 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 (1)繼續(xù)開發(fā)基于 PC 的開放、第六代的方向,基于開放、低成本、高可靠性、軟 C6160 普通車床數(shù)控化改造(橫向與縱向進給) - 2 - 硬件資源豐富等方面,更多的 CNC 廠商將走上這條道路。以 PC 機為前端機,解決了人 機界面、編程、網(wǎng)絡通信等問題。原來的系統(tǒng)承擔數(shù)控任務。PC 機友好的人機界面 將擴展到所有 CNC 系統(tǒng)。遠程通信、遠程診斷和維護將變得更加普遍。 (2)發(fā)展高速、高精度是使機床適應高速、高精度的需要。 (3)隨著智能化的發(fā)展,隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展,CNC 系統(tǒng) 的智能化程度將不斷提高。自適應控制技術的應用可以檢測過程中的一些重要信息, 并自動調(diào)整系統(tǒng)的相關參數(shù),以改善系統(tǒng)的運行狀態(tài)。介紹了以專家系統(tǒng)為指導的技 術工人和專家的經(jīng)驗、處理系統(tǒng)的一般規(guī)則和特殊規(guī)則,建立了以過程參數(shù)數(shù)據(jù)庫為 支撐的人工智能專家系統(tǒng)。 故障診斷專家系統(tǒng)的引入通過自動識別負載來自動調(diào)節(jié)參數(shù),使驅(qū)動系統(tǒng)能夠獲 得最佳的運行狀態(tài)。 呂梁學院本科畢業(yè)設計 - 3 - 第 2 章普通車床的數(shù)控改造和可行性論證 對于普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在考慮總體設計方案時，應遵循的原則是： 在滿足設計要求的前途下，對機床的改動應盡可能的少，以降低成本。 2.1 車床的數(shù)控改造 2.1.1 數(shù)控機床工作原理及組成 (1)數(shù)控機床工作原理： 在加工 CNC 機床零件時, 應首先編制零件的加工程序,這是數(shù)控機床的工作指令。 加工程序輸入到數(shù)控裝置中,然后數(shù)控裝置控制機床主運動的變化、升降運動、進給 運動的方向、速度和位移以及切換等運動。在切削刀具中,工件的開閉、夾緊和冷卻 以及冷卻和潤滑,使刀具和工件等輔助裝置嚴格按照工藝規(guī)程進行。編制了順序、軌 跡和參數(shù),對滿足要求的零件進行加工。 (2)數(shù)控機床的組成: 數(shù)控機床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體四部分組成。數(shù)控 機床的組成圖為圖 2-1,數(shù)控機床的組成。 圖 2-1 數(shù)控機床的組成圖 2.1.2 設計內(nèi)容及任務 普通車床(C6160)的數(shù)控化改造設計包括總體方案的確定和驗證,機械改造部分的 設計計算( 包括縱向和橫向進給系統(tǒng)的設計和計算)、AU 的原理。改造后機床的主要 運動和傳動系統(tǒng)圖的設計,電機轉(zhuǎn)速電機的控制電路的設計,以及電機的功率。磁力離 合器的設計計算。 本設計任務是對 C6160 臥式車床進行數(shù)控改造,實現(xiàn)車床的數(shù)控化。采用微機控 數(shù) 控 裝 置控 制 介 質(zhì) 測 量 裝 置伺 服 系 統(tǒng) 機 床 C6160 普通車床數(shù)控化改造(橫向與縱向進給) - 4 - 制車床的縱向和橫向進給系統(tǒng),車床最小縱向運動單元為 0.01/脈沖,橫向最小運動單元 0.00 5/脈沖,主運動自動改變,刀架應轉(zhuǎn)換成 A。自動復位刀架,螺紋可自動切割。 2.1.3 數(shù)控部分的設計與改造 (1)數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)軌跡可分為點位控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。點控制系統(tǒng)只需要控 制刀具從一點移動到另一點的位置,并且在原理上不控制運動軌跡。連續(xù)控制系統(tǒng)可 以嚴格控制兩個或兩個以上坐標方向的位移。由于 C6160 車床必須加工復雜的輪廓 件,微機數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 (2)伺服進給系統(tǒng)的設計與改造 數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)控制方案的優(yōu)點是可以實現(xiàn)機床的精度,可以補償機械傳動系統(tǒng)中的誤差,并且可 以消除間隙和干涉對加工精度的影響。但結(jié)構(gòu)復雜,技術難度大,模式調(diào)整維護困難,成 本高。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于速度范圍寬、過載能力強、反饋控制能力強,比步進電機驅(qū) 動的開環(huán)控制系統(tǒng)好得多。然而,半閉環(huán)控制方式比開環(huán)更復雜,設計必須有其自身的 特點和技術難點。 開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有位置控制器和反饋電路,開環(huán)系統(tǒng)精度差,結(jié)構(gòu)簡單,易于調(diào)節(jié),在 精度不高的情況下經(jīng)常使用。比較后,由于 C6160 車床精度低,決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 (3)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設計 數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件是控制系統(tǒng)的基礎,其性能直接影響整 個數(shù)控系統(tǒng)的性能。在普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造中,第一次設計周期長,不經(jīng)濟,質(zhì)量 難以保證。第二個更不經(jīng)濟。所以沒有課程設計需要第三小時計劃。 2.1.4 機械改造部分的設計 進給機構(gòu)的改造：將原機床的掛輪機構(gòu)、進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等 全部拆除?？v向、橫向進給以步進電動機作為驅(qū)動元件經(jīng)一級齒輪減速后，由滾珠 絲杠傳動。 2.2 可行性論證 根據(jù)自動化制造系統(tǒng)，可行性論證使用戶建造自動化制造系統(tǒng)項目前所進 呂梁學院本科畢業(yè)設計 - 5 - 行的技術和經(jīng)濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準立項的基本依據(jù)。同樣， 在進行普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造之前進行合理的、科學的可行性論證是必要的。 根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法，普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造的可行性論證應圍繞以下幾 個方面進行，即企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標，改造的 基礎條件、目標、技術方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實施計劃，結(jié)論 等。 由于本設計僅作為大學本科生的畢業(yè)設計，故在此，設計者僅對改造的投資概 算作一簡要的可行性論證。 改造設計是對 C6160 車床進行經(jīng)濟型數(shù)控改造。在變換設計中,采用的是廣由國 家數(shù)控設備廠生產(chǎn)的 GSK980T 數(shù)控系統(tǒng),加上兩個伺服電機,兩套滾珠絲杠副及配套 傳動部件,以及齒輪副、變頻調(diào)速電機、四電磁離合器和齒輪副的主傳動部分。這樣, 改造設備和舊設備的造價不會超過 15 萬元。因此,對適合中國國情的普通車床進行經(jīng) 濟型數(shù)控改造,提高國產(chǎn)機床的自動化程度和精密度是國內(nèi)企業(yè)的有效選擇。具有一 定的典型性和實用性。 C6160 普通車床數(shù)控化改造(橫向與縱向進給) - 6 - 呂梁學院本科畢業(yè)設計 - 7 - 第 3 章總體設計方案的確定 3.1 總體設計方案 在總體設計方案論證后,C6160 車床經(jīng)濟型數(shù)控改造總體方案如下圖所示:C6160 車床主軸轉(zhuǎn)速采用變頻調(diào)速交流異步電機;變速部分采用電磁離合器控制機構(gòu) ,轎廂縱 向進給和橫向進給運動采用步進電機驅(qū)動。運動由步進電機驅(qū)動,減速后驅(qū)動齒輪螺 桿驅(qū)動齒輪,實現(xiàn)縱向進給和橫向進給運動,將刀架變?yōu)槲C驅(qū)動的自動換位工具,由電 機驅(qū)動。為了保持螺紋切削功能,需要主軸脈沖發(fā)生器。 改造后的總體方案示意圖如圖 3-1 所示。 圖 3-1 總體方案設計圖 步 進 電 動 機車 床加 工 工 件 圖 紙 工 件 變 速 箱數(shù) 控 程 序編 制 變 速 箱 步 進 電 動 機手 工 輸 入 或 計 算 機 控 制 計 算 機功 率 放 大 器存 儲 裝 置 C6160 普通車床數(shù)控化改造(橫向與縱向進給) - 8 - 呂梁學院本科畢業(yè)設計 - 9 - 第 4 章橫向縱向進給系統(tǒng)的改造設計與計算 橫向縱向進給系統(tǒng)進給機構(gòu)的設計是普通車床經(jīng)濟型數(shù)控改造的主要部分，如 果說 CNC 系統(tǒng)是數(shù)控機床的“大腦”，是發(fā)布“ 命令 ”的指揮機構(gòu)，那么，伺服驅(qū)動系 統(tǒng)便是數(shù)控機床的“ 四肢”，是執(zhí)行機構(gòu)，它忠實而準確的執(zhí)行由 CNC 系統(tǒng)發(fā)來的運 動命令。伺服控制系統(tǒng)是聯(lián)接數(shù)控系統(tǒng)與機床的樞紐，其性能是影響數(shù)控機床的精 度、穩(wěn)定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。 4.1 橫向縱向進給系統(tǒng)的組成原理和要求 (1)橫向縱向進給系統(tǒng)的組成原理 機床進給橫向縱向進給系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)與機床進給機械傳動機構(gòu) 兩大部分組成。機床進給機械傳動系統(tǒng)通常由減速齒輪、滾珠絲杠、機床導軌和工 作臺拖板等組成。對于伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)，按其反饋信號的有無，分為開環(huán)和閉環(huán) 兩種控制方式。對于開環(huán)橫向縱向進給系統(tǒng)只能由步進電機驅(qū)動，它由步進電機驅(qū) 動電源和電動機組成。閉環(huán)橫向縱向進給系統(tǒng)則分為直流電動機和交流電動機兩種 驅(qū)動方式，并且是雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)中用作速度 反饋的檢測裝置為測速發(fā)電機、脈沖編碼器等。速度控制單元是一個獨立的單元部 件，它由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器以及功率驅(qū)動放大器等部分組成。位置環(huán)是由 CNC 裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測及反饋控制等部分組成。根 據(jù)其位置檢測信號所取部位不同，它又分為半閉環(huán)和全閉環(huán)兩種。半閉環(huán)采用轉(zhuǎn)角 位置檢測裝置，安裝于滾珠絲杠端部，或直接與伺服電動機轉(zhuǎn)子的后端相連(與伺服 電動機成一體) ；對于全閉環(huán)系統(tǒng)需要采用直線位置檢測裝置，安裝于機床導軌與工 作臺拖板之間。通常伺服驅(qū)動控制單元與電動機由一個生產(chǎn)廠家配套提供(甚至包括 位置檢測裝置) 。 (2)橫向縱向進給系統(tǒng)的要求 橫向縱向進給系統(tǒng)是把數(shù)控信息轉(zhuǎn)化為機床進給運動的執(zhí)行機構(gòu)。為了保證機 床的加工質(zhì)量和效率,機床對伺服系統(tǒng)具有“穩(wěn)定、準、快、寬、滿” 的五個要求。它 反映了伺服驅(qū)動系統(tǒng)的五個性能指標。穩(wěn)即穩(wěn)定性,也就是要求系統(tǒng)有較好的抗干擾 C6160 普通車床數(shù)控化改造(橫向與縱向進給) - 10 - 性,電源、環(huán)境、負載等的波動對其影響不大。它具有調(diào)速性能強、機械過載能力強、 穩(wěn)定性好、適應性好等特點,從而保證了工件加工的一致性。 準確性是必不可少的。為了保證加工質(zhì)量,定位精度必須高于系統(tǒng)的定位精度。 數(shù)控機床是通過數(shù)控系統(tǒng)的指令自動完成整個加工過程的數(shù)控機床。它不像普通的 機床。在中間,操作者可以通過操縱手輪來測量工件并校正加工偏差。數(shù)控機床是由 加工程序一次完成的,因此進給系統(tǒng)的定位精度直接決定工件的加工精度,也是評價數(shù) 控機床的關鍵性能指標。 影響數(shù)控加工精度的主要因素有:CNC 系統(tǒng)的精度(主要取決于插補操作的精度)、 伺服系統(tǒng)的精度、機床的機械精度(如主軸、刀架、旋轉(zhuǎn)精度等)。對工作臺、刀具和 工件夾緊精度等方面進行了研究。伺服系統(tǒng)的精度起著重要的作用。 快速響應是快速的。事實上,機床進給伺服系統(tǒng)是一種高精度位置伺服系統(tǒng)。它 不僅要求較小的靜態(tài)誤差,而且需要快速的動態(tài)響應,其特點是起升和停止的短速度過 程和高加速度。 寬度是一個很寬的速度范圍。通常,在數(shù)控機床的實際操作中,工作臺的進給速度 需要滿足兩個指標:輕載快速接近定位速度(即編程指令 G00 的速度)、進刀速度(即 PRO 后面的 F 值所需的速度 )。語法指導,如 G01、G02 等。 可提供足夠的輸出轉(zhuǎn)矩或驅(qū)動功率。特別是,為了滿足重型切削和高速切削的要 求,還要求系統(tǒng)具有相應的過載能力,以確保穩(wěn)定性。 除了上述五個主要性能指標外,進給伺服系統(tǒng)還要求低溫上升、噪聲小、效率高、 體積小、價格低廉、控制方便、線性度好、可靠性高、維護方便、對溫度和濕度要 求較高等等。 4.2 橫向縱向進給系統(tǒng)進給機構(gòu)的設計內(nèi)容和設計計算 數(shù)控機床的橫向縱向進給系統(tǒng)進給系統(tǒng)的控制方式有多種，如：開環(huán)控制閉環(huán) 控制以及半閉環(huán)控制。 正如總體設計方案論證中所說，本設計任務的精度要求不高，結(jié)合經(jīng)濟型改造 的特點，設計者采用以步進電機為驅(qū)動的開環(huán)控制方式來設計其橫向縱向進給系統(tǒng) 進給系統(tǒng)。下面對開換系統(tǒng)的控制形式及特點加以簡要分析。 (1)工作原理及控制特點 開環(huán)控制系統(tǒng)利用脈沖馬達的伺服性能，即對應一定的脈沖，必定有一定的轉(zhuǎn) 呂梁學院本科畢業(yè)設計 - 11 - 角，從而通過絲杠螺母機構(gòu)使工作臺移動一定的距離。 (2)定位精度 雖然開環(huán)控制系統(tǒng)很難保證較高的位置控制精度，對于影響定位精度的機械傳 動裝置的剛度、摩擦、慣量、間隙等的要求較高，一般在 0.01 0.02mm 之間； 但對于經(jīng)濟型數(shù)控車床來說，定位精度要求并不高。 (3)穩(wěn)定性 結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，工作可靠，穩(wěn)定性好。 4.3 縱向進給系統(tǒng)的設計與計算 (1)進給系統(tǒng)的設計內(nèi)容 經(jīng)濟型數(shù)控車床的改造一般是將絲杠、光杠及安裝座拆去，配上滾珠絲杠及相 應的安裝裝置，縱向驅(qū)動的步進電動機及減速箱安裝在車床的車尾。書控車床通過 步進電動機經(jīng)減速驅(qū)動滾珠絲杠，帶動刀架左右移動。 縱向進給系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容有：滾珠絲杠副的設計計算及選擇、減速比的確 定及減速箱的設計、步進電動機的選擇等。 (2)縱向進給系統(tǒng)的設計計算 已知條件： 縱向脈沖當量 p=0.001mm/脈沖； 縱向最高進給速度 Vfymax=2m/min； C6160 車床工作臺質(zhì)量 w=100kg=1000N(根據(jù)圖形尺寸粗略計算)； 時間常數(shù) T=25ms 縱向進給切削力 Fz 的確定 根據(jù)機床設計手冊查出 =35% (4-1)adfP 式中：P df ----進給系統(tǒng)所需電機功率 Pa -----主傳動電機功率 由前面的設計計算可知： Pa=11kw 取比例系數(shù)為 4% 則 C6160 普通車床數(shù)控化改造(橫向與縱向進給) - 12 - Pdf= Pa4%=0.44kw (4-2) 根據(jù)機床設計手冊查出 Fy= (4-3)fdV6120 式中： f----進給系統(tǒng)效率，其范圍為 0.150.20， 取 f =0.175 Vf-----進給速度(m/min)，查實用機床設計手冊可知： Vf=(1/21/3)V fymax (4-4) 取 Vf=(1/2)Vfymax=1 m/min 則 FZ=4712.4 (N) 當 FZ=4712.4N 時，切削深度 ap=2mm，走刀量 f=0.3mm . 以此參數(shù)作為下面計算的依據(jù)，從實用機床設計手冊中可知，在一般圓切 削時： =(0.10.6) (4-5)xFz =(0.150.7) (4-6)yz =0.5 =0.54712.4=2356.2( )xz N =0.6 =0.64712.4=2827.44( )yFz (3)滾珠絲杠的設計計算 滾珠絲杠在運行中受到軸向載荷,導致滾珠與滾道表面之間的接觸應力。滾道表 面的接觸點是交變接觸應力。在這種交變應力作用下,在一定次數(shù)的應力循環(huán)次數(shù)后, 滾珠和滾道表面有疲勞損傷,導致滾珠絲杠失去工作性能,這是滾珠絲杠失效的主要形 式。在設計滾珠絲杠副時,必須保證在一定軸向載荷作用下,滾珠在 106 轉(zhuǎn)后滾道上受 到滾珠壓力,但不存在點蝕現(xiàn)象。此時軸向載荷可以是滾珠絲杠所能承受的最大動載 荷 Q。 滾珠絲杠已被標準化,因此滾珠絲杠的設計可以歸結(jié)為滾珠絲杠模型的選擇。 額定動載荷與計算動載荷 C 從實用機床設計手冊中查得： 呂梁學院本科畢業(yè)設計 - 13 - (4-7)dHdhFfnC 式中：f h ---- 壽命系數(shù) fd ---- 載荷性質(zhì)系數(shù) fH ---- 動載荷硬度系數(shù) fn ---- 轉(zhuǎn)速系數(shù) Fd ---- 最大工作負載 (N) 根據(jù)實用機床設計手冊可知： 選工作壽命: h =15000h,則 fh = =3.107 (4-8)3/1)50L( 選載荷性質(zhì)系數(shù)：f d =1.35； 選動載荷硬度系數(shù)：f H =1.0； 轉(zhuǎn)速系數(shù)：f n = ； (4-9)3/1).( V =1000mm/min 根據(jù)上述選擇的情況下,計算結(jié)果如表 5.1 所示; 表 5-1 動載荷計算 絲杠導程 L0/mm 12 10 8 6 n =V/L0 (r/min) 8303 100 125 166.7 fn 0.737 0.693 0.694 0.584 c/n 26883 28590 30813 33926 綜合導軌車床絲杠的軸向力： (4-10)W)(FfkZX 式中：K=1.15，f=0.150.18，取 0.16.得； =3623.6 (N) 10)(472.0.162351. 壽命值： (4-11)81010t6nL6ii 最大負載： C6160 普通車床數(shù)控化改造(橫向與縱向進給) - 14 - (4-12)FfLQHw3i = =11395.8 (N)6.321.8 查參考文獻實用機床設計手冊可選用 NL4510 型號的滾珠絲杠副,名義直徑 為 45mm,絲杠導程為 10 mm, 螺旋角 ,滾珠例數(shù)為 3 系列,其額定動載荷為4o 33300N,所以其強度夠用。 支承方式：選用“ 單推單推 ”的支承方式。 效率計算； (4-13))(tg 式中： ----螺紋的螺旋升角34o ----摩擦角 ；所以 = 則：0..t 4513 (4-14)%97)34( otg 經(jīng)驗表明：在數(shù)控化改造設計中，有普通絲杠換成滾珠絲杠，只要名義直徑相 同，支承方式相同或有改善，其絲杠的強度，剛度和穩(wěn)定性計算可以不計算，因為 采用類比法，改善后肯定合格。 (4)齒輪設計 齒輪傳動比 i： (4-15) 517.40.36510pLi 式中； ----步進電動機的步矩角，選為 1.50， 計算出 i5，因此可以選一級傳動。 大小齒輪都采用 45 號鋼調(diào)質(zhì)，選小齒輪硬度為 260HB290HB，大齒輪硬度為 220HB250HB，精度選用六級，模數(shù) m=2mm , 齒寬 b=20mm, 螺旋角 = ，齒02 數(shù) Z1=18，齒數(shù) Z2=75，則： (4-16)361821mzd 5072 呂梁學院本科畢業(yè)設計 - 15 - (4-17)93)(212da 還應該校核齒輪表面接觸疲勞強度，彎曲疲勞強度。經(jīng)校核均合格，其校核過 程略。 步進電動機的確定 步進電動機步矩角的選擇； (4-18)00 5.107.436Lip 等效轉(zhuǎn)動慣量的計算 慣量對運動特性有很大影響，對加速能力，加速時驅(qū)動力矩及動態(tài)的快速反應 有直接關系，因此核算轉(zhuǎn)動慣量很有必要。 縱向橫向縱向進給系統(tǒng)改進后等效轉(zhuǎn)動慣量的簡圖如下： 圖 5-1 改造后的縱向橫向縱向進給系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量簡圖 等效步進電動機軸的轉(zhuǎn)動慣量計算，采用下式： (4-19)121JJizzs 式中： ----工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量1J ----滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量s ----齒輪 1 的轉(zhuǎn)動慣量1zJ ----齒輪 2 的轉(zhuǎn)動慣量2z C6160 普通車床數(shù)控化改造(橫向與縱向進給) - 16 - = = 100=0.146( ) (4-20) 1JWP 28025.14308kgf2cm 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量： =7.8 (4-21)sDL =7.8 140=45.741( ) 40. kgf2c 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： =7.8 2=0.262( ) 1zJ63m =7.8 2=78.975( ) 2z415kf2c 電動機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略，因此總的轉(zhuǎn)動慣量： = J12Jizzs = 146.02.975.84.517. =7.58( )=75.8kgf2cm)(cN 所需轉(zhuǎn)動力矩計算： 折算到步進電動機軸的力矩可分為三種情況進行計算。 快速空載啟動時所需力矩： M=Mamax+Mf+M0 (4- 22) 最大切削負載時所需力矩： (4-23) M=Mat+Mf+M0+Mt 快速進給所需力矩 M=Mf+M0 (4-24) 式中：M amax--空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩； Mf --折算到電機軸上的摩擦力矩； M0 --由絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的摩擦力矩； Mat--切削時折算到電機軸上的加速度力矩； Mt --切削時折算到電機軸上的切削負載力矩。 Ma= (Nm) (4-25) 4106.9TJn 式中：T 為時間常數(shù) T=0.025s 呂梁學院本科畢業(yè)設計 - 17 - 當 n=nmax 時，M amax=Ma； nmax = =834r/min (4-26) 107.420mxLiV Mamax= 45.69837 ）（ cm.276)(2N 當 n=nt 時，M at=Ma； (4-27) 0L fi主nt = 17.43 =12.51 (r/min) 4st 025.698M (4-28) iwLff0 當 =0.8，f=0.16 時； 17.480.326f =7.64(NCM) 當 =0.9 時： 0 = (4-29) 0M2016iLFx = 29.017.48.3 =0.854( )=8.54( ) kgfcmNc M= (4-30) iLFx20 = 17.48.3 =13.5( )=135( )kgfcmNc 從而求得，快速空載啟動所需力矩 M=Mamax+Mf+M0 C6160 普通車床數(shù)控化改造(橫向與縱向進給) - 18 - =276.4+7.64+8.54 =294.88 (NCM ) 切削時所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt =3.95+7.64+8.54+135 =155 ( )Ncm 快速進給時所需力矩 M=Mf+M0 =7.64+8.54 =16.18 (NCM ) 由以上分析計算可知，所需最大力矩 Mmax 發(fā)生在快速啟動時，即： Mmax=294.88 (NCM ) 步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjm 為。 (4-31) 86.0486.0maxjm ..29 =851.3 (NCM ) 步進電動機的最高頻率計算； (HZ) (4-32)3.01.620maxax pVf 電動機采用三相六拍的工作方式，經(jīng)綜合考慮，選用 110BF003 型的直流步進電 動機能滿足要求。 4.4 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算 (1)進給系統(tǒng)的設計內(nèi)容 經(jīng)濟型數(shù)控車床改造的橫向進給系統(tǒng)的設計比較簡單，一般是步進電動機經(jīng)減 速后驅(qū)動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電動機安裝在大拖板上，用發(fā)蘭盤將步 進電動機和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。 橫向進給系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容有：滾珠絲杠副的設計計算及選擇、減速比的確 定及減速箱的設計、步進電動機的選擇等。 (2)橫向進給系統(tǒng)的設計計算 已知條件： 縱向脈沖當量 y=0.0005mm/脈沖； 呂梁學院本科畢業(yè)設計 - 19 - 縱向最高進給速度 Vfymax=1m/min； C6160 車床工作臺質(zhì)量 w=40kg=4000N(根據(jù)圖形尺寸粗略計算)； 時間常數(shù) T=25ms 橫向進給切削力 Fx 的確定 根據(jù)機床設計手冊可知； 橫向進給量為縱向的 1/2--1/3 ，取 1/2，則切削力約為縱向的 1/2。 =0.54712.4=2356.2( ) (4-33)z N =0.5 =0.62356.2=1178.1( ) (4-34)xFz (3)滾珠絲杠的設計計算 滾珠絲杠在工作中承受軸向負載，使得滾珠和滾道型面間產(chǎn)生接觸應力；對滾 道型面上某一點，是交變接觸應力。在這種交變應力的作用下，經(jīng)過一定的應力循 環(huán)次數(shù)后滾珠和滾道型面產(chǎn)生疲勞損傷，從而使得滾珠絲杠喪失工作性能，這是滾 珠絲杠破壞的主要形式。在設計滾珠絲杠副的時候，須保證能夠它在一定的軸向負 載的作用下，在回轉(zhuǎn) 106 轉(zhuǎn)后，滾道上雖然受滾珠壓力，但不應有點蝕現(xiàn)象發(fā)生，此 時所能承受的軸向負載成為這種滾珠絲杠能承受的最大動負載 Q。 滾珠絲杠副已經(jīng)標準化，因此滾珠絲杠副的設計歸結(jié)為滾珠絲杠副型號的選擇。 強度計算： W)(FfkZX 式中：K=1.4；f=0.2,得； =2200.5 (N) (4-35)40)(2356.0.1784. 壽命值： (4-36)1.010t6nL6ii 最大負載： FfQHw3i = =6287.5 (N) (4-37)20.51.5 C6160 普通車床數(shù)控化改造(橫向與縱向進給) - 20 - 查參考文獻實用機床設計手冊可選用 WD2004 型號的滾珠絲杠副,名義直徑 為 20mm,絲杠導程為 4 mm ,螺旋角 ,滾珠例數(shù)為 3 系列,其額定動載荷為39o 7600N,所以其強度夠用。 支承方式：選用“ 單推單推 ”的支承方式。 效率計算； )(tg 式中： ----螺紋的螺旋升角 39o ----摩擦角 = 則：10 (4-38)96.0)3( otg 經(jīng)驗表明：在數(shù)控化改造設計中，有普通絲杠換成滾珠絲杠，只要名義直徑相 同，支承方式相同或有改善，其絲杠的強度，剛度和穩(wěn)定性計算可以不計算，因為 采用類比法，改善后肯定合格。 (4)齒輪設計 齒輪傳動比 i： (4-39)53.0.364510pLi 式中： ----步進電動機的步矩角，選為 1.50， 計算出 i5，因此可以選一級傳動。 大小齒輪都采用 45 號鋼調(diào)質(zhì)，選小齒輪硬度為 260HB290HB，大齒輪硬度為 220HB250HB，精度選用六級，模數(shù) m=2mm，齒寬 b=20mm，螺旋角 = ，齒02 數(shù) Z1=20，齒數(shù) Z2=66，則： (4-40)4021mzd 362 (4-41)8)(21a 還應該校核齒輪表面接觸疲勞強度，彎曲疲勞強度。經(jīng)校核均合格，其校核過 呂梁學院本科畢業(yè)設計 - 21 - 程略。 步進電動機的確定 步進電動機步矩角的選擇； (4-42)00 5.147.0.36Lip 等效轉(zhuǎn)動慣量的計算 慣量對運動特性有很大影響，對加速能力，加速時驅(qū)動力矩及動態(tài)的快速反應 有直接關系，因此核算轉(zhuǎn)動慣量很有必要。 改造后的橫向橫向縱向進給系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量簡圖如下: 圖 5-2 改造后的縱向橫向縱向進給系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量簡圖 等效步進電動機軸的轉(zhuǎn)動慣量計算，采用下式； (4-43)121JJizzs 式中： ----工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量1J ----滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量s ----齒輪 1 的轉(zhuǎn)動慣量1zJ ----齒輪 2 的轉(zhuǎn)動慣量2z = 40 1J 25.4308 C6160 普通車床數(shù)控化改造(橫向與縱向進給) - 22 - =1.46( )=0.0146( )kgf2mkgf2cm 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量： =7.8 50=0.624( )sJ410f2 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： =7.8 2=0.4( )1z4kgf2cm =7.8 2=47.36( )2zJ02.13 電動機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略，因此總的轉(zhuǎn)動慣量： =J0146.64..73. 2 =4.82( )=48.2 kgf2cm)(2cN 所需轉(zhuǎn)動力矩計算： 折算到步進電動機軸的力矩可分為三種情況進行計算。 快速空載啟動時所需力矩： M=Mamax+Mf+M0 (4-44) 最大切削負載時所需力矩： M=Mat+Mf+M0+Mt (4-45) 快速進給所需力矩： Ma= NM (4-46)416.9TJn 式中；T 為時間常數(shù) T=0.025s 當 n=nmax 時，M amax=Ma； nmax = =833.25r/min (4-47)43.10mxLiV Mamax= 25.698 =1.67(Nm)=167( Ncm) 當 n=nt 時，M at=Ma； = (5-48)0Lfi主nt01DVfi = 46.33.5 呂梁學院本科畢業(yè)設計 - 23 - =66.34 (r/min) Mat= 41025.69384 =0.0348 (Nm)=3.48( )Ncm (4-49)iwLff0 當 =0.8，f=0.2 時； 3.8014.32fM =0.193( )=1.93( )kgfcmNc 當 =0.9 時：0 = (4-50)02016iLFx = 29.3.84.37 =0.18( )=1.8( )kgfcmNc = (4-51)tMiLFx20 = 3.814.37 =2.84( )=28.4( )kgfcmNc 從而求得，快速空載啟動所需力矩 M=Mamax+Mf+M0(5-52) =16.7+0.193+0.18 =17.073( )kgfc 切削時所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt (4-53) =0.348+0.193+0.18+2.84 =3.561 ( )kgfcm 快速進給時所需力矩 M=Mf+M0(5-54) =0.193+0.18 C6160 普通車床數(shù)控化改造(橫向與縱向進給) - 24 - =0.373( )kgfcm 由以上分析計算可知，所需最大力矩 Mmax 發(fā)生在快速啟動時，即： Mmax=17.073( )=170.73(Ncm)f 步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjm 為。 (4-55)86.0486.0maxjm ..731 =490 (Ncm) 步進電動機的最高頻率計算； (HZ) (4-56)3.05.610maxax pVf 電動機采用三相六拍的工作方式，經(jīng)綜合考慮，選用 110BF003 型的直流步進電 動機能滿足要求。 呂梁學院本科畢業(yè)設計 - 25 - 第 5 章數(shù)控系統(tǒng)的選擇設計 機床數(shù)控系統(tǒng)設計在應用工作中，軟件設計是一個重要方面。實際設計與硬件 設計是不可分割的，二者必須結(jié)合, 哪些能由硬件完成，那些能由軟件完成，在硬件 設計基本定型后，分工也就基本確定下來了，這時軟件設計工作才開始進行。 軟件設計工作，按其功能可分二類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質(zhì)性的 功能，如步進電機控制，插補，誤差補償計算，反饋量的處理，零件加工程序，顯 示輸出等；另一類是監(jiān)控軟件，它是控制微機系統(tǒng)按預定的操作方式運轉(zhuǎn)的程序， 它完成人機通信，并協(xié)調(diào)執(zhí)行程序和操作者之間的關系，在軟件系統(tǒng)中充當組織調(diào) 度的角色，如系統(tǒng)自檢，初始化，處理鍵盤命令，處理揭開命令等。但執(zhí)行軟件和 監(jiān)控軟件沒有明確的界限和固定的功能劃分，。習慣上把鍵盤解釋程序作為監(jiān)控程 序，其它任務都分散在特定功能執(zhí)行程序中，并由監(jiān)控程序來調(diào)用必要的功能模塊， 完成預定的任務。 在進行軟件設計時，應從全局著眼，先將整個系統(tǒng)按功能分成一個一個的模塊， 并為每一個執(zhí)行模塊定義，然后設計出每一個具體模塊的程序，最后組成一個系統(tǒng)。 不僅整個系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)可具有模塊化的特性，而且其模塊內(nèi)部有可以細分為小模 塊。模塊特性對測試很有利，功能擴充也很方便，要增加新功能，只要增加新模塊 就能實現(xiàn)，象搭積分木一樣。因此，這樣的模塊程序設計方法， 思路清晰，邏輯性 強，柔性較強 5.1 典型機床數(shù)控裝置的硬件組成 CNC 系統(tǒng)(數(shù)控系統(tǒng))是在硬件的支持下，通過運行軟件來進行工作的。所以， CNC 裝置的功能強弱首先取決于其硬件 8.2 典型 CNC 系統(tǒng)(數(shù)控系統(tǒng))技術性能 在本設計中，設計者根據(jù)實際情況選擇了廣州數(shù)控設備廠的 GSK980T 數(shù)控系統(tǒng)。 其技術性能如表 8.1 所示；GSK98