重要普通车床的经济型数控化改造(共35页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘要 普通机床的数控化改造已成为企业提高自身自动化程度的一种重要手段，文章以典型的普通车床的数控化改造为例，就在数控改造中经常遇到的几个问题，包括系统运动方案、进给伺服系统、步进电机、伺服电机、数控系统的和计算及电气系统的非标准化设计做了详细的介绍，并提出了相应的解决办法，为数控机床改造提供了参考。关键词 ： 目录摘要 1目录 21.前言42 设计要求62.1总体方案设计要求 62.2设计参数 82.3.其它要求 103.进给伺服系统机械部分设计与计算 113.1进给系统机械结构改造设计113.2进给伺服系统机械部分的计算与选型11 3.2.1确定系统的脉冲当量 12

2、3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤 133.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 16 3.2.4齿轮有关计算183.2.4（1）纵向齿轮及转矩的有关计算 183.2.4 (2)横向齿轮及转矩的有关计算214. 步进电动机的计算与选型244.1步进电动机选用的基本原则 244.2步进电动机的选折 255.主轴交流伺服电机 275.1主轴的变速变速范围 275.2初选主轴电机的型号 275.3主轴电机的校核 27 6.微机控制系统硬件电路设计 286.1控制系统的功能要求 286.2设计说明 287.车床改造的结构特点317.1.滚珠丝杆317.2导轨副 317.3安

3、装电动卡盘 317.4脉冲发生器 31 8安装调整中应注意的问题328.1滚珠丝杠螺母副的选择328.2滚珠丝杠螺母副的调整32 8.3联轴器的安装32 8.4主轴脉冲发生器的安装 329.结束语 3310.致谢 3411.参考文献 351前言数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,简化了结构.较好地解决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制：（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；（2）目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床

4、闲置起来又会造成浪费；（3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。这一工作早在20世纪60年代已经在开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务。目前，国外已发展成为一个新兴产业部门，从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有26%的机床经过数控化改造，中小企业则达74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供数控化改造业务。中国是拥有30

5、0多万台机床的国家，其中大部分是多年积累生产的普通机床，自动化程度低。要想在近几年用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金还是中国机床制造厂的能力都是办不到的，因此，普通机床的数控化改造大有可为，它适合中国的经济水平、生产水平和教育水平，已成为中国设备技术改造的主要方向之一。机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急

6、需。因此，我们必须走数控改造之路。普通车床（如C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程

7、序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。2设计要求2.1总体方案设计要求总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）根据普通

8、车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选 MCS51系列单片机扩展系统。（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步

9、进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。总体方案设计图如下图（2-1）所示：进给伺服系统总体方案，方框图如图（2-2）所示专心-专注-专业2.2设计参数设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。现列出CA6140卧式车床的技术数据：名称 技术参数 在床身上 400mm工件最大直径在刀架上 210mm顶尖间最大距离 650;900;1400;1900

10、mm宋制螺纹 mm 1-12(20种)加工螺纹范围 英制螺纹 t/m 2-24(20种) 模数螺纹 mm0.25-3(11种) 径节螺纹 t/m7-96(24种) 最大通过直径 48mm 孔锥度莫氏6# 主轴 正转转速级数 24 正转转速范围101400r/min 反转转速级数12 反转转速范围14-1580r/min纵向级数64进给量纵向范围0.028-6.33mm/r横向级数64横向范围0.014-3.16mm/r 滑板行程 横向320mm纵向 650;900;1400;1900mm 最大行程140mm 刀架最大回转角 90刀杠支承面至中心的距离26mm刀杠截面BH2525mm顶尖套莫氏锥

11、度5#尾座横向最大移动量10mm外形尺寸 长宽高241810001267mm 圆度 0.01mm工作精度圆柱度200:0.02 平面度0.02/300mm表面粗糙度Ra1.6-3.2m 主电动机7.5kw电动机功率总功率7.84kw改造设计参数如下:最大加工直径 在床面上 400mm在床鞍上210mm最大加工长度 600mm快进速度纵向2.4m/min横向1.2m/min最大切削进 纵向0.5m/min给速度横向0.25m/min溜板及刀架 纵向800N重力 横向600N代码制ISO脉冲分配方式 逐点比较法输入方式 增量值、绝对值通用控制坐标数 2脉冲当量 纵向0.01mm/脉冲 横向0.00

12、5mm/脉冲机床定位精度0.015mm刀具补偿量 0mm-99.99mm进给传动链 纵向0.15mm间隙补偿量 横向 0.075mm自动升降速性能 有2.3.其它要求（1）原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本缩短改造周期。（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，需经常调整的部位调整应方便。3进给伺服系统机械部分设计与计算3.1进给系统机械结构改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、横溜板箱等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵

13、向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。计算简图如下图3-1所示：3.2.1确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机

14、床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技术参数中，要求纵向脉冲当量fp为0.01mm/step。横向脉冲当量为fp=0.005mm/step。3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤（1）最大工作荷载计算滚珠丝杠的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于原普通CA6140车床的纵

15、向导轨是三角形导轨，则用公式5-1计算工作载荷的大小。 Fm=KFL+f(Fv+G) （3-1） 1）车削抗力分析车削外圆时的切削抗力有FxFyFz，主切削力Fz与主切削速度方向一致垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力Fy与纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力Fx与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统时要用它。纵切外圆时，车床的主切削力Fz可以用下式计算： Fz= =5360(N) （3-2） 由金属切削原理知：Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 （3-3） 得 Fx=1340(N) Fy=2144(N)因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削

16、抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给托板的载荷F1Fv和Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系。因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出： 托板上的进给方向载荷 F1=Fx=1340(N) 托板上的垂直方向载荷 Fv=Fz=5360(N) 托板上的横向载荷 Fc=Fy=2144(N) 因此，最大工作载荷 Fm=KFL+f(Fv+G) =1.151340+0.04(5360+909.8) =1790.68(N) 对于三角形导轨K=1.15, f=0.030.05,选f=0.04(因为是贴塑导轨)，G是纵向横向溜板箱和刀架的重量，选纵向横向溜板箱的重量为75kg,刀架重量为15kg.

17、（2）最大动载荷C的计算滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选用，可用式3-4计算： C=fem. （3-4）L为工作寿命，单位为10r，L=60nt10;n为丝杠转速（rmin）,n=1000vL0;v为 最大切削力条件下的进给速度（mmin）,可取最高进给速度的1/21/3;L0为丝杠的基本导程，查资料得L0=12mm;fm为运转状态系数，因为此时有冲击振动，所以取fm=1.5.V纵向=1.59mm/r1400r/min=2226mm/minn纵向=v纵向1/2/L0=22261/2/12=92.75r/min L=60nt/106=6092.7515000/106=83.5则 C=fmFm =1

18、.51790.68=11740（N） 初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大载荷C;因此有CaC=11740N另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷Fm,一般使Coa/Fm=23.初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。因此初选滚珠丝杠的型号为型CD638-3.5-E型，主要参数为Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,=2o19 ，圈数列数3.51 （3）纵向滚珠丝

19、杠的校核 1）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 =tg/tg(+)=tg2o19 /tg(2o19 +10)=92% （3-5） 2）刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。1 丝杠的拉压变形量1 1=Fml/EA （3-6） =1790.682280/20.610(31.5)2 =0.0064mm2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2采用有预紧的方式，因此用公式2=0.00132 （3-7）=0.0013

20、2 =0.0028mm在这里 Fyj =1/3Fm=1/31790.68=597N Z=dm/Dw=3.1463/4.763=41.53 Z=41.533.51=145.36 丝杠的总变形量=1+2=0.0064+0.0028=0.0092mm4 所以丝杠很稳定。3.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤（1）型号选择 1）最大工作载荷计算由于导向为贴塑导轨，则：k=1.4 f=0.05,F1为工作台进给方向载荷，Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h,最大工作载荷：Fm=kF1+f(Fv+2Fc+G) =1.42144+0.05(5360

21、+21340+9.875) =3440.4N2）最大动载荷的计算 V横=1400r/min0.79mm/r=1106mm/min n横丝=v横1/2/L0纵=11061/2/4=138.25r/min L=60nt/=60138.2515000/106=124.43 C=fmFm =1.53440.4=25763.7N 初选滚珠丝杠型号为：CD506-3.5-E其基本参数为Dw=3.969mm,=2o11,L0=6mm,dm=50mm,圈数列数3.51(2) 横向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算 =tg/tg(+)=tg2o11 /tg(2o11 +10)=93%2) 刚度验算 1. 丝杠的拉

22、压变形量1=FmL/EA=3440.4320/20.6104252=0.0027mm 2.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.00132 =0.00132 =0.0070mm在这里Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N Z=dm/Dw=3.1450/3.969=39.56 Z=39.563.51=138.48丝杠的总变形量 =1+2=0.0027+0.0070=0.0097mm0.015mm查表知E级精度允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格 （3）滚珠丝杠螺母副的精度等级：数控机床根据定位精度的要求通常选用1-5级精度的滚珠丝杠，1-5级度丝杠的行程公差数值如表（2）所示：

23、项目符号有效行程lm/mm精度等级12345目标行程公差ep3156812162331540079131825400500810152027500630911162230行程变动量公差Vmp3156812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300mm内行程变动量V300p681216232rad内行程变动量V2p45678表（2）滚珠丝杠行程公差/m3.2.4齿轮有关计算(1)纵向齿轮及转矩的有关计算1）有关齿轮计算，由前面的条件可知： 工作台重量：W=80kgf=800N(根据图纸粗略计算)滚珠丝杠的导程: Lo=12mm步距角

24、: =0.75/step脉冲当量: p=0.01mm/step快速进给速度：Vmax=2m/min所以,变速箱内齿轮的传动比I=2.5 （3-9） 齿轮的有关参数选取如下: Z1=32 , Z2=40 ,模数m=2mm 齿宽 b=20mm 压力角=20齿轮的直径 d1=mz1=232=64mm d2=mz1=240=80mm d2=d1+2ha*=68mm d2=d2+2ha*=84mm两齿轮的中心矩 a= = =72mm2）转动惯量计算工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量: J1=W()2= ()2 80=0.467kg.cm2 （3-10）对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算

25、: J=7.810-4D4L kg.cm2 （3-11） 式中 D-圆柱形零件的直径,cm L-零件的轴向长度,cm所以,丝杠的转动惯量: J1=7.810-4+D4L1=7.810-43.24140.3=11.475 kg.cm2齿轮的转动惯量: =7.810-46.442=2.617 kg.cm2 =7.810-4842=6.39 kg.cm2电动机转动惯量很小,可忽略。因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.52)（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm2丝杠名义直径/mm导

26、程/mm1m长丝杠的转动惯量kg.cm2丝杠名义直径/mm导程/mm1m长丝杠的转动惯量kg.cm22040.94501035.7650.841231.982552.2460881.5862.001078.023054.911274.9664.47708157.353559.2610150.4768.7212145.1388.308010263.4940516.2912255.84615.459010420.31815.1812392.7545626.1310012649.56824.5416615.161022.6320562.4450639.75120201233.93837.642411

27、44.60表(3)滚珠丝杠的转动惯量3）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo最大切削负载时所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt快速进给时所需力矩M=Mf+Mo式中, Mamax-空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩; Ma-折算到电动机轴上的加速度力矩; Mf-折算到电动机轴上的摩擦力矩; Mo-由丝杠预紧所引起,折算到电动机轴上的附加摩擦力矩; Mat-切削时折算到电动机轴上的加速力矩; Mt-折算到电动机轴上的切削负载力矩;Ma=10-4N.m （3-12）式中, J-转动惯量, kg.cm2 n-丝杠转速,r/min T-时间常数,s当n=nmax时 M

28、a=Mamax nmax=416.7 r/min Mamax= 10-4=2.49N.m当n=nt时, Ma=mat not=24.88 r/minMat=10-4=0.0616N.mMf=Neck （3-13）式中 f-导轨上的摩擦系数; nt-切削加工时的转速，r/min; w-移动不见的重量，N; Lo-丝杠导程，cm; i-传动比； - 传动效率。当 =0.8 f=0.16时，Mf= = 12.23 N.cmMo= (1-) （3-14）式中， o-丝杠未预紧时的效率，取0.9 FO-预加载荷，一般为最大轴向载荷的1 / 3，即FP / 3则 Mo=(1-0.92)=8.108N.cm

29、 Mt=128 N.cm所以，快速空载启动所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338 N.cm切削时所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42 N.cm快速进给时所需力矩 M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338 N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩Mamax发生在快速启动时 Mmax=123.338 N.cm(2)横向齿轮及转矩的有关计算1)有关齿轮计算，由前面的条件可知： 工作台重量：W=30kgf=300N(根据图纸粗略计算)滚珠丝杠的导程: Lo=4mm步距角: =0.75/s

30、tep脉冲当量: p=0.005mm/step快速进给速度：Vmax=1m/min所以,变速箱内齿轮的传动比i=1.67齿轮的有关参数选取如下: Z1=18 , Z2=30 ,模数m=2mm 齿宽 b=20mm 压力角=20d1=36mm d2=60mmda1 =40mm da2=64mm a=48mm2)转动惯量计算工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量: J1=W()2= ()2 30=0.0439 kg.cm2丝杠的转动惯量: Js=7.810-42450=0.624 kg.cm2齿轮的转动惯量: =7.810-43.642=0.262 kg.cm2 =7.810-4642=2.022

31、 kg.cm2电动机转动惯量很小,可忽略。因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=2（0.624+2.022）+0.262+0.0439=1.258 kg.cm2=12.58N. cm23)所需转动力矩计算nmax=416.7 r/minMamax=10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cmnt=33.17 r/minMat= 10-4=0.0174N.m=0.174 kgf.cmMf= =0.287kgf.cm=0.028N.mMo=(1-0.92) =0.649kgf.cm=0.065N.mMt=10.242kgf.cm =1.024

32、Name所以，快速空载启动所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm切削时所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52 N.cm快速进给时所需力矩M=Mf+Mo=0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩Mamax发生在快速启动时 Mmax=2.532 kgf.cm =25.32 N.cm（3）绘制进给伺服系统的机械装配图在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型，完成齿轮传动比计算

33、后可以着手绘制进给伺服系统的机械装配图。在绘制机械装配图时，除了从总体上考虑机床布局情况以及伺服进给机构与原机床的联系外，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。1）了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。2）根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号，轴承座的结构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。3）减速齿轮的参数和结构尺寸计算，确定齿轮侧隙的调整方法，在满足装配工艺的前提下，合理设计齿轮箱结构。4） 考虑各部位间的定位、联接和调整方法。例如，应保证丝杠两端支承与滚珠丝杠螺母同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座。轴承座在安装面上的联接与定位、齿轮箱在安装面上的定位、步进电机在齿轮箱上的联接与定位等。5）考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如，丝杠螺母的润滑、防尘、防铁屑保护、轴承的润滑及密封、齿轮的润滑及密封、行程限位保护装置等。6）在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。此外，注意绘制装配图时的一些基本要求。例如，制图标准、视图布置及图形画法要求、重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标准、重要配合的标注、装配技术要求、标题栏要求等。4 步进电动机的计算与选型4