I摘要本設計的研究課題為 C620-1 普通車床的數(shù)控化改造設計，包括機械部分的 Z 向（縱向）X 向（橫向）的進給運動和自動換刀系統(tǒng)的改造。即采用伺服電動機經(jīng)滾珠絲杠將運動傳到滑板和刀架，實現(xiàn) Z 向（縱向）X 向（橫向）的進給運動。在加工螺紋時，為了得到主軸和刀架之間的內(nèi)聯(lián)系傳動，一般采取伺服電動機驅動主軸旋轉，并且在主軸箱內(nèi)安裝有脈沖編碼器，主軸的運動通過同步齒形帶 1：1 地傳到脈沖編碼器。原來機械傳動的控制方式，改為用步進電機實現(xiàn)對 X 軸、Z 軸的傳動控制，通過滾珠絲杠實現(xiàn)工作臺的進給運動。控制信號由單片機來處理。高壓輸出部分由 PLC 實現(xiàn)。關鍵詞: 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)車床 改造 數(shù)控技術 步進電機IIAbstractThe research lesson a design for counting controlling the milling of borer automatically changing the knife device namely to tool with changing the knife machine hand of this design chooses to use ,adopting the horizontal type machine bed form here In tools set of CNC, to select tool by PLC software can realize tool exchange at random and high spend 。The number controls machine tool,of witch the device of the automatical tighet is in principal axis ,the knife handle tight automatically in principal axis,It can relax by itself ,and the activity of automatically change knife moderate mutually with it ,theorganizating on the construction has novel and special place,It is made of a principal axis set ,Spring coil set ,pull to clip the module with the piston module and Theliquid presses urn 4 parts constitute ,It can realize the basic request of that system completely ,Clip tight dint as 10000.Direct push in pressure in Spring coil set ,abut have nothing to do with the principal axis.Keyword: The economic number controls the system lather Reformation The number controls the technique Tread into the electrical engineeringIII目 錄摘要 .IAbstract II第 1 章 緒論 11.1 數(shù)控技術的產(chǎn)生發(fā)展 11.1.1 我國數(shù)控機床與國際先進機床的差距 21.1.2 數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的商機 31.1.3 我國數(shù)控機床信息化發(fā)展趨勢 41.2 淺析普通機床的數(shù)控改造 71.2.1 數(shù)控機床改造的必要性 .71.2.2 數(shù)控機床改造的優(yōu)點 .81.2.3 機床改造的含義 101.3 車床的數(shù)控改造 101.3.1 改造原理 .101.3.2 設計方案的確定 .11第 2 章 機械部分改造設計與計算 152.1 縱向進給系統(tǒng)的設計與計算 .152.1.1 向進給系統(tǒng)的設計 152.1.2 縱向系統(tǒng)的設計計算 152.2 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算 212.2.1 橫向進給系統(tǒng)的設計 .212.2.2 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 .21第 3 章 步進電機的選擇 263.1 步進電機選用的基本原則 263.1.1 步距角 a 263.1.2 精度 .26IV3.1.3 轉距 .263.1.4 啟動頻率 .273.2 步進電機的選擇 .273.2.1 C620-1 縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定 .273.2.2 C620-1 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 .28第 4 章自動回轉刀架 294.1 刀架的選擇 .294.2 安裝和調(diào)試 .314.3 維護與休養(yǎng) .324.4 經(jīng)濟型數(shù)控車床方刀架 .32第 5 章技術經(jīng)濟分析 34結 論 35致謝 36參考文獻 37附錄 1 .38附錄 2 .41原文 .41譯文 .640第 1 章 緒論1.1 數(shù)控技術的產(chǎn)生發(fā)展社會經(jīng)濟與科學技術的發(fā)展與競爭, 使機械產(chǎn)品日趨精密 , 復雜, 而且產(chǎn)品的生命期縮短, 改型頻繁, 這不僅對機床設備提出精度與效率的要求, 也提出了通用性與獵諾性的要求, 特別是航空, 造船, 武器, 模具生產(chǎn)等工業(yè)部門, 所加工的零件具有精度高, 形狀復雜, 經(jīng)常變動的特點,使用普通機床加工這類零件, 不僅勞動強度大,生產(chǎn)效率低, 而且還難以保證精度, 有些零件甚至無法加工, 為了解決上述這些問題, 一種靈活, 通用, 高精度, 高效率的柔性自動化生產(chǎn)技術---- 數(shù)控技術在這種情況下應運而生。數(shù)控機床較好的解決了復雜, 精密, 多變的零件加工問題, 是一種靈活的, 高效的自動化機床 .它是機床控制技術的重要發(fā)展方向, 隨著電子, 自動化, 計算機精密機械, 測量及人工智能技術的發(fā)展, 數(shù)控機床, 也在迅速發(fā)展和演變, 以適應社會生產(chǎn)的需要數(shù)控機床以其精度高, 效率高, 能適應小批量復雜的加工等特點, 在機械加工中得到日益廣泛的應用。1946 年世界上第一臺電子計算機 ENIAC 的問世, 為產(chǎn)品制造由剛性自動化向柔性自動化方向發(fā)展奠定了基礎, 第二次世界大戰(zhàn)后, 隨著電子技術的發(fā)展, 數(shù)控處理以及電子計算機的出現(xiàn)推動了生產(chǎn)機械自動化的發(fā)展, 美國為了加速飛機工業(yè)的發(fā)展, 有空軍部門委托派爾森斯公司和麻省理工大學伺服機構研究所, 利用全數(shù)字電子計算機對機翼加工路徑進行處理, 即采用數(shù)字技術進行機械加工的研制, 歷經(jīng)三年, 終于在 1952 年研制成功可同時控制三軸運動的數(shù)控立銑床, 此為世界第一臺數(shù)控機床, 這種系統(tǒng)的一切能都有硬件實現(xiàn), 它存在許多問題, 所以它的發(fā)展相對緩慢, 應用受到限制, 20 世紀 70 年代初, 大規(guī)模集成電路, 半導體儲存器, 微處理的問世, 給數(shù)控行業(yè)帶來生機, 利用計算機數(shù)控系統(tǒng), 用戶程序錄入可由鍵盤, 串口, 紙帶機等實現(xiàn), 根據(jù)需要可由 LED 數(shù)碼管 LCD 液晶, CRT, TFT, 超薄型彩色液晶等顯示系統(tǒng)的有關信息(如位置, 狀態(tài), 圖形, 程序等); 能對(2-5)軸, 甚至更多的軸進行插補控制, 插補速度和精度也越來越高(0.001mm 精度下, 30m/min) , 計算機數(shù)控系統(tǒng)和微處理器數(shù)控系統(tǒng)的功能大都由軟件技術實現(xiàn), 硬件則更加簡單 , 功能大大加強, 成本卻降低了另一方面大規(guī)模集成電路 SMT(surfsce mount technology, 表面1安裝技術)等的應用, 也使整機體縮小, 可靠性提高, 同時數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)模生產(chǎn)和應用以及元件價格的降低, 使數(shù)控系統(tǒng)的價格大幅下降, 所有這些都使數(shù)控系統(tǒng)達到一般企業(yè)能接受的程度, 從而形成了數(shù)控系統(tǒng)開發(fā), 生產(chǎn), 應用, 服務的完整體系, 相應地出現(xiàn)了一批著名的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家和名牌數(shù)控產(chǎn)品。 1953 年 3 月, 克耐-杜馬克公司 (Keaney 13η——主傳動系統(tǒng)總效率，一般為 0.6～0.7 取 η=0.65;K——進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為 K=0.96 。則： N C=7.5×0.65×0.96=4.68kw又因為 N C=FZ v/6120 FZ=6120NC/v式中 V——最大切削線速度， n max=1000vmax/πd min dmax=kD dmin/dmax=Rd查得 Rd=0.25 k=0.5 D=400mmdmax=kD=0.5×400=200(mm)dmin=Rd×dmax=0.25×200=50(mm)vmax=πd min nmax/1000=3.14×50×1520/1000=238.64m/min主切削力Fz=6120×4.68/100=286.416(kgf)=2864.16(N)由《金屬切削原理》可知，主切削力 =ZFZxYpFCafK查表可得：則可計算 FZ如表當 FZ=3280(N)時查表可得切削深度 α p=3mm,走刀量 f=0.3mm, 以此參數(shù)做為下面計算的依據(jù)。從《機床設計手冊》中可得知，在一般外圓車削時：Fx=(0.1～0.6)F z Fz=(0.15～0.7) F z?。篎 x=0.5 Fz=0.5×2864.16=1432.08(N)Fy=0.6 Fz=0.6×2864.16=1718.5(N)2 滾珠絲杠設計計算,綜合導軌車床絲杠的軸向力：P=K Fx＋f /( Fz＋W)式中 K=1.15，f /=0.15～0.18,取為 0.16。則 P=1.15×1432.08＋0.16(2864.16+800)(mm)pa2 2 2 3 3 3(mm)f0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4(N)ZF1615 2189 2716 2422 3283 407414=2233.2(N)1) 強度計算：壽命值 L i=60niTi/106ni=n 主 f/L0=1000vf/πDL 0取工件直徑 D=40mm,查表得 Ti=15000hni=1000×100×0.3÷3.14÷400÷6=3.98r/minLi=60×3.98×15000/106=3.582最大動負載 Q= ipfwfH3L查表 運轉系數(shù) fw=1.2 硬度系數(shù) fH=1則 Q=3.582×1.2×1×2233.2 =4100.3(N) 根據(jù)最大動負荷 Q 的值，選擇滾珠絲杠的型號。滾珠絲杠參照《機床設計手冊》的 746 頁，選取 CBFZD4006，滾珠絲杠直徑選取 40mm，型號?為。2）效率計算：根據(jù)《機械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率 η 為：η=tgγ/tg(γ＋φ)式中 摩擦角 φ=9 / 螺旋升角 γ=2 o44'則η=tg2 o44//tg(2o44/＋10 /)=0.9433)剛度驗算：滾珠絲杠受工作負載 P 引起的導程變化量△ L1=±PL0/EF式中 L0=4mm=0.4cm;E=20.6×106N/cm2。滾珠絲杠截面積F=（d/2） 2π=(3.69/2)2×3.14=10.688則△L 1=±2233.2×0.6/20.6×106×(3.69/2)2×3.14=±6.09×10-8cm滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量△L 2很小，可忽略，即：△L=△L 1。所以：導程變形總誤差△為△=△L ×100/ L 0=100/0.6×6.09×10-8=10.15μm/m15查表知絲杠允許的螺距誤差為 15μm/m，故剛度足夠。3 齒輪及轉矩的有關計算1)有關齒輪計算傳動比i=φL 0/360δ p=0.9×5/360×0.01=1.25故取 =32 =401Z2M=2mm b=20mm a= 0。=m =2×32=64mm1d=m =2×40=80mm2Z= +2 =68mm1adah?= +22=84mma= 12d?= =72mm64802)轉動慣量計算工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量：J1= w280()p???=(180×0.01/3.14×0.7)2×80=1.46kgcm2=4.68Ncm2絲杠的轉動慣量：Js=7.8×10-4D4Ll=7.8×10-4×4.04×140.316=28.015kg cm2=28.015Ncm2電機轉動慣量很小，可以忽略總的轉動慣量J= 2121()szzJJi?= (28.015+6.39)+2.617+0.468.5=25.1042kgcm2=25.1042 Ncm23)所需轉動力矩計算快速空載啟動時所需力矩M=Mamax+Mf+M0最大切削負載時所需力矩M=Mat+Mf+M0+Mt快速進給時所需力矩M=Mf+M0試中 Mamax——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——由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩；Mat——切削時折算到電機軸上的加速度力矩；Mt——折算到電機軸上的切削負載力矩。Ma=Jn×10-4Nm/9.6T當 n=nmax時 M amax=Manmax=vmaxi/L0=2000×1.25/6=416.7r/minMamax=14.519×416×10-4/9.6×0.025=2.52Nm=25.72kgfcm當 n=nt時 M a=Matnt= fi/L0主=1000vfi/πDL 0=1000×100×0.3×1.25/3.14×80×6=24.88r/minMat=251.042×24.88×10-4/9.6×0.025=0.2602Nm=2.55kgfcm17Mf=F0L0/2πηi=f /WL0/2πηi當 η=0.8 f /=0.16 時Mf=0.16×80×0.6/2×3.14×0.8×1.25=1.223kgfcm=12.23NcmM0=P0L0(1-η 02)/ 2πηi當 η 0=0.9 時，預加載荷 P0=1/3Fx則 M0=FxL0(1-η 02)/6πηi=143.208×0.6(1-0.92)/6×3.14×0.8×1.25=0.8664kgfcm=8.664NcmMt=FxL0/2πηi=143.208×0.6/2×3.14×0.8×1.25=13.681kgfcm=136.81Ncm所以，快速空載啟動所需力矩：M=Mamax+Mf+M0=25.72+1.223+0.8662=27.809kgfcm=274.05Ncm切削時所需力矩：M=Mat+Mf+M0+Mt=2.55+1.223+0.866+13.681=10.518kgfcm=105.18Ncm快速進給時所需力矩：M=Mf+M0=1.223+0.866=2.089kgfcm=20.89Ncm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，Mmax=27.809kgfcm =278.09Ncm2.2 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算2.2.1 橫向進給系統(tǒng)的設計 經(jīng)濟型數(shù)控車床的橫向進給系統(tǒng)的設計比較簡單，一般是步進電機經(jīng)減速后驅動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板上，用法18蘭盤將步進電機和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動粒度，2.2.2 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 由于橫向進給系統(tǒng)的設計計算上縱向類似，所用到的公式不再詳細說明，只計算結果。已知條件：工作臺重量： W=30kgf=300N(粗略計算)時間常數(shù)： T=25ms 滾珠絲杠基本導程： L 0=4mm 左旋行程： S=400mm脈沖當量： δ p=0.01mm/step步距角： α=0.75 o/step快速進給速度： V max=1m/min1 切削力計算 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 1/2FZ=1/2×286.416=143.208kgf=1432.08N在切斷工作時：F Z=0.5 FZ=0.5×143.208=71.604=716.04 N2 滾珠絲杠設計計算 1）強度計算：對于燕尾型導軌： '()yPKFfW??取 K=1.4 =0.2'f則 P=1.4×71.604+0.2(143.208+30)=134.89kgf=1348.9N壽命值Li=60niTi/108=60×2.985×15000/108=2.687最大動負載 Q= ipfwfH3= ×1.2×1×134.892.68719=225.02kgf=2135.5N根據(jù)最大動負荷 Q 的值，選擇滾珠絲杠的型號。例如，滾珠絲杠參照漢江機床廠的產(chǎn)品樣本選取系列，滾珠絲杠公稱直徑為，型號為其額定負荷，所以強度足夠用。2）效率計算：摩擦角 φ=10 / 螺旋升角 γ=3 o38/則傳動效率：η=tg3 o38//tg(3o38/＋10 /)=0.9563) 剛度驗算：滾珠絲杠受工作負載 P 引起的導程變化量△ L1=±PL0/EF=±5.96×10-6cm滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量△L 2很小，可忽略，即：△L=△L 1。所以：導程變形總誤差為：△=△L ×100/ L 0==14.9μm/m查表知絲杠允許的螺距誤差為 15μm/m，故剛度足夠。3 齒輪及轉矩的有關計算1)有關齒輪計算傳動比i=φL 0/360δ p=0.74×4/360×0.015=0.833故取 =24 =201Z2M=2mm b=20mm a=20。=48mm =40mm1d2=52mm =44mmaada=44mm2)轉動慣量計算工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量：J1= w280()p???20=(180×0.015/3.14×0.75)2×30×1/100=0.1753kgcm2絲杠的轉動慣量：Js=7.8×10-4×24×50=0.624kg cm2齒輪的轉動慣量：=7.8×10-4×4.84×2=0.828kg cm21Z=7.8×10-4×4.04×2=0.399kg cm22J電機轉動慣量很小，可以忽略，因此總的轉動慣量J= 2121()szzJi?= (0.624+0.399)+0.828+0.1753??topmf?=2.476kgcm23)所需轉動力矩計算nmax=vmaxi/L0=1000×1.25/6=208.3r/minMamax= ×10-4max9.6JnT=2.476×208.3×10-4/9.6×0.025=0.2149Nm=2.196kgfcmnt= fi/L0主=1000vfi/πDL 0=1000×100×0.15×5/3.14×40×4×6=24.88r/minMat=2.476×24.88×10-4/9.6×0.025=0.0257Nm=0.257kgfcmMf= FxL0/2i??21= W L0/ 'f2i??=0.2×30×0.4×6/2×3.14×0.8×5=0.574 kgfcm=0.056NcmM0=FYL0(1-η 02)/ 6πηi=71.604×0.4(1-0.92) ×6/6×3.14×0.8×5=0.435kgfcm=0.0426NmMt=FxL0/2πηi=71.604×0.4×6/2×3.14×0.8×5=6.84kgfcm=0.67Nm所以，快速空載啟動所需力矩：M=Mamax+Mf+M0=2.193+0.574+0.435=3.202kgfcm=32.02Ncm切削時所需力矩：M=Mat+Mf+M0+Mt=0.2619+0574+0.435+6.84=8.111kgfcm=81.11Ncm快速進給時所需力矩：M=Mf+M0=0.574+0.435=1.009kgfcm=10.09Ncm由以上分析計算可知：所需最大力矩 Mmax發(fā)生在切削時，Mmax=8.111kgfcm=81.11Ncm第 3 章 步進電機的選擇223.1 步進電機選用的基本原則步進電機的選用，步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成機械角位移的機電執(zhí)行元件。由于所用的電源是脈沖電源，也稱脈沖馬達。合理選用步進電機是比較復雜的問題，需要根據(jù)電機在整個系統(tǒng)中的實際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇?，F(xiàn)在僅用步進電機的最基本的原則介紹如下。3.1.1 步距角 a步距角應滿足： mni?式中：i—傳動比—系統(tǒng)對步進電機驅動部件的最小轉角。mna3.1.2 精度步進電機的精度可用步距誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉子的實際轉角與理論轉角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較實用。所選用的步進電機應滿足： ??Qi???式中： —步進電機的積累誤差；Q?—系統(tǒng)對步進電機驅動部分允許的角度誤差。??i?3.1.3 轉距為了使步進電機正常運行（不失步，不越步） ，正常啟動并滿足對轉速的要求，必須考慮：1）啟動力距：一般啟動力距選取為： 0.35LQqM??式中： —電動機啟動力距；qM23—電動機靜負載力矩。LQM2）在要求的運行頻率范圍內(nèi)，電動機運行力距應大于電動機的靜載力距與電動機轉動慣量（包括負載的轉動慣量）引起的慣性矩之和。3.1.4 啟動頻率由于步進電機的啟動頻率隨著負載力矩和轉動慣量的增大而降低，因此相應負載力矩和轉動慣量的極限啟動頻率應滿足： ??topmf?式中： —極限啟動頻率tf—要求步進電機最高啟動頻率。??opm3.2 步進電機的選擇3.2.1 C620-1 縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定Mq= Mmax/0.4=27.809×10/0.4=695.225Ncm為滿足最小步距要求，電動機選用五相十拍工作方式，查表知：M q/Mjm=0.866 進電機最大靜轉矩 Mjm為：Mjm= Mq/0.866=695.225/0.866=802.8Ncm步進電機最高工作頻率fmax=vmax/60δ p=2000/60×0.01=3333.3Hz綜合考慮，查表選用 110BF003 型直流步進電機，能滿足使用要求。3.2.2 C620-1 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定24Mq= Mmax/0.4=8.111×10/0.4=202.775Ncm電動機仍選用三相六拍工作方式，查表知：M q/Mjm=0.866所以，步進電機最大靜轉矩 Mjm為：Mjm= Mq/0.866=202.775/0.866=234.15Ncm步進電機最高工作頻率fmax=vmax/60δ p=2000/60×0.01=3333.3Hz為了便于設計和采購，仍選用 110BF003 型直流步進電機，能滿足使用要求。第 4 章自動回轉刀架對現(xiàn)有的普通車床進行改造，主要應該解決的問題是：如何將機械傳動的進給和手工控制的刀架轉位進給改造成由數(shù)控系統(tǒng)控制的刀架自動轉們以及自動進給的自動加工車床，即經(jīng)濟型數(shù)控車床。快速準確地換刀是每一臺數(shù)控機床所必須具備的功能，在經(jīng)濟型數(shù)控車床上通常采用四方、五方或六方自動轉位刀架。按照工作原理自動轉位刀架可分為：螺旋轉位刀架，十字槽轉位刀架，凸臺爪式轉位刀架，電磁式轉位刀架，液壓式轉位刀架。目前使用最多的是螺旋轉位刀架。數(shù)控車床改造中所涉及自動回轉刀架的主要工作有刀架的選擇以及安裝和調(diào)試。4.1 刀架的選擇1）根據(jù)刀架的主要參數(shù)進行選擇25a. 刀尖高：刀尖高指刀具刀尖至刀架底面的垂直距離。國內(nèi)生產(chǎn)的立式數(shù)控回轉刀架的刀尖高一般在 51—245mm，共 8 個規(guī)格。一般可根據(jù)數(shù)控車床的規(guī)格來選用相應刀尖高的數(shù)控轉塔刀架。b. 刀架的工位數(shù)：刀架的工位數(shù)是數(shù)控車床刀架的第二主參數(shù)。應根據(jù)在數(shù)控車床上所加工零件的工序數(shù)量來選擇；加工零件越復雜，工序數(shù)量越多，一般選用刀架的工位數(shù)也越多。c. 刀架承受的最大切削力矩：刀架承受的最大切削力矩往往取決于主軸部件的剛度和強度，可根據(jù)車削加工用量和加工情況進行計算；根據(jù)在數(shù)控車床上加工零件的剛性和所需夾緊力的大小來選擇，若加工零件剛性好，所需夾緊力大，一般應選擇大切削力矩的刀架。2）定位精度和重復定位精度定位精度指實際位置與指令位置的一致程度；而重復定位精度指在同一條件下操作方法不變，進行規(guī)定次數(shù)操作所得到的連續(xù)結果的一致程度。刀架的定位精度和重復定位精度反映了刀架技術水平的高低。它主要取決于刀架常用的端齒盤組等精定位元件的分度精度。應根據(jù)在數(shù)控車床上加工零件的精度來選擇，若加工零件的精度要求高，一般應選擇高定位精度和高重復定位精度。3）單工位轉位時間單工位轉位時間指刀架轉一個工位的時間，是刀架精定位機構一端齒盤副松開、轉一個工位和剎緊全部時間的總和。刀架單工位轉位時間往往與主軸部件及其所攜帶工具的轉動慣量有關；其轉位時間的縮短，能減少加工的輔助時間，提高數(shù)控車床的生產(chǎn)效率。在一般情況下，應選擇單工位轉位時間短的刀架。4）分度頻率分度頻率指刀架在工作的單位時間內(nèi)（一般規(guī)定為 1h）所允許的最多轉位次數(shù)。它主要取決于刀架分度電氣系統(tǒng)的性能、主軸部件、傳動部件的轉動慣量等因素。在一般情況下，應選擇單位時間內(nèi)允許分度頻率高的刀架。5）根據(jù)其他因素來選擇