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卧式车床数控化改造设计-横向进给系统设计

1 绪论
1.1 国内外数控机床的发展
美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上,技术最先进、 经验最多的国家。因其社会条件不同,各有特点。 1.1.1 美国的数控发展史
美国政府重视机床工业,美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床 的发展方向、科研任务,并且提供充足的经费,且网罗世界人才,特别讲究“效率” 和“创新”,注重基础科研。因而在机床技术上不断创新,如 1952 年研制出世界第 一台数控机床、1958 年创制出加工中心、70 年代初研制成 FMS、1987 年首创开放式 数控系统等。由於美国首先结合汽车、轴承生产需求,充分发展了大量大批生产自动 化所需的自动线,而且电子、计算机技术在世界上领先,因此其数控机床的主机设计、 制造及数控系统基础扎实,且一贯重视科研和创新,故其高性能数控机床技术在世界 也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床,其存在的教训是,偏重於 基础科研,忽视应用技术,且在上世纪 80 代政府一度放松了引导,致使数控机床产 量增加缓慢,于 1982 年被后进的日本超过,并大量进口。从 90 年代起,纠正过去偏 向,数控机床技术上转向实用,产量又逐渐上升。 1.1.2 德国的数控发展史
德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位,在多方面大力扶植。于 1956 年研 制出第一台数控机床后,德国特别注重科学试验,理论与实际相结合,基础科研与应 用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作,对数控机床的共性和特性问题进行 深入的研究,在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真 价实,出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主 机及配套件之先进实用,其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能 部件,在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统,均为世界闻名,竞相 采用。 1.1.3 日本的数控发展史
日本政府对机床工业之发展异常重视,通过规划、法规(如“机振法”、“机电 法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学*德国,在质量 管理及数控机床技术上学*美国,甚至青出于蓝而胜于蓝。自 1958 年研制出第一台

数控机床后,1978 年产量(7,342 台)超过美国(5,688 台),至今产量、出口量一直居 世界首位(2001 年产量 46,604 台,出口 27,409 台,占 59%)。战略上先仿后创,先生 产量大而广的中档数控机床,大量出口,占去世界广大市场。在上世纪 80 年代开始 进一步加强科研,向高性能数控机床发展。日本 FANUC 公司战略正确,仿创结合,针 对性地发展市场所需各种低中高档数控系统,在技术上领先,在产量上居世界第一。 该公司现有职工 3,674 人,科研人员超过 600 人,月产能力 7,000 套,销售额在世界 市场上占 50%,在国内约占 70%,对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作 用。 1.1.4 我国的数控发展史
我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代,通过“六五”期间引进数控技 术,“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”,我国数控技术和数控产业取得了相当 大的成绩。特别是最*几年,我国数控产业发展迅速,1998~2004 年国产数控机床产 量和消费量的年*均增长率分别为 39.3%和 34.9%。尽管如此,进口机床的发展势头 依然强劲,从 2002 年开始,中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第 一大国,2004 年中国机床主机消费高达 94.6 亿美元,国内数控机床制造企业在中高 档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显,70%以上的此类设备和绝 大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍 然缺乏市场竞争力,究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水* 依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。 我们应看清形势,充分认识国产数控机床的不足,努力发展先进技术,加大技术创新 与培训服务力度,以缩短与发达国家之问的差距[1]。
1.2 机床进行数控化改造的意义
国外利用数字计算机进行控制加工是从 40 年代开始的。1952 年美国麻省理工学 院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统,成功地实现同时控制三轴的运动, 它成了世界上第一台数控机床。此后,从 60 年代开始,其他一些工业国家如德国、 日本等陆续地开发生产及使用数控机床。1974 年微处理机直接用于数控机床,进一步 促进了数控机床的普及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完善,可靠性和 性能越来越高,它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色[2]。
我国数控机床的研制是从 1958 年开始的,经历了几十年的发展,直至 80 年代后 引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后,我国的数控技术才有质

的飞跃,应用面逐渐铺开,数控技术产业才逐步形成规模。 由于现代工业的飞速发展,市场需求变的越来越多样化,多品种、中小批量甚至
单件生产占有相当大的比重,普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生 产率的要求。如果设备全部更新替换,不仅资金投入太大,成本太高,而且原有设备 的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快,特别是微电子技术和计算机技 术的发展更快,应用到数控系统上,它既能提高机床的自动化程度,又能提高加工精 度,所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。这样既可以提高加工生产率, 改善加工工艺,还可以减少资金投入,减轻工人的劳动强度,缩短订购新的数控机床 的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值,为 此,在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景[3]。
1.3 机床数控化改造的设计任务
本课题来源于生产实践。将 CA6140 型普通车床改造成经济型数控车床,应能实 现 CA6140 车床原有功能,在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。 在整个设计过程中满足以下几点要求:
(1)横向(X 向) 进给脉冲当量为 0.005mm /脉冲; (2)横向最快的工进速度:400mm/min(无级调速); (3)床身上最大加工直径:400mm;最大加工长度:1000mm; (4)CNC 系统主 CPU 采用单片机。 该设计的总体思路是采用以 8031 单片机为核心的数控装置控制加工过程。微机 通过 I/O 接口发出驱动脉冲,经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路,驱动控制 线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号,并将该信号转换为控制步进电机各 定子绕组依次通电、断电的信号,使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠转 动,从而使工作台产生移动,实现纵向、横向的进给运动。由于步进电机需要的驱动 电压较高,电流较大,如果将 I/O 输出信号直接与功率放大器相连,将会引起强电干 扰,轻则影响单片机程序运行,重则导致单片机接口电路的损坏,所以在接口电路与 功率放大器之间加上隔离电路,实现电气隔离[4]。

2 总体方案的确定
卧式车床是金属切削加工最常用的一类机床。它主要用车刀对旋转的工件进行车 削加工。在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的 加工。车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件,是机械制造和修配 工厂中使用最广的一类机床。CA6140 卧式车床的机构布局如图 2.1 所示。
图 2.1 CA6140 卧式车床的结构布局
对其进行改造应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统 CPU 的选择,以及进给系统传动方式和执行机构的选择等。
(1)卧式车床数控化改造后应具有单坐标定位,两坐标直线插补、圆弧插补以 及螺纹插补的功能。因此,数控系统应设计成连续控制型。
(2)卧式车床经数控化改造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,进给伺服系统常采用步进电机的开环控制系统。
(3)根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度,以及数控系统的经济型 要求,决定选用 MCS—51 系列的 8 位单片机作为数控系统的 CPU。MCS—51 系列 8 位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。
(4)根据系统的功能要求,需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电

路、I/O 接口电路、D/A 转换电路、串行接口电路等;还要选择步进电机的驱动电源 以及主轴电动机的交流变频器等。
(5)为了达到技术指标中的速度和精度要求,纵、横向的进给系统应选用摩擦 力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副;为了消除传动间隙、提高传动刚度,滚珠丝杠 的螺母应有预紧机构等。
(6)计算选择步进电机,为了圆整脉冲当量,可能需要减速齿轮副,且应有消 间隙机构。
(7)选择四工位立式自动回转刀架,选择螺纹编码器等[5~8]。 总体布局图如图 2.2 所示。
10-床身部件 20-车头箱部件 30-纵向进给部件 40-横向进给部件 50-尾架部件 图 2.2 总体布局图
2.1 主传动系统的改造方案
经济型的数控机床动力系统可分为三类: (1)步进电机式 采用步进电机驱动与定位,是开环系统,同时限于造价,不再采用其它措施补偿 位置误差。由于目前功率步进电机力矩还不太大,所以机床的空选种速度较低,一般 用于半精加工。这种系统具有 2~3 种插补功能,通过软件控*涌冢杉庸ぷ睹妫 螺纹,简单外形的曲面等十分灵活。由于性价比较恰当,一般中小型企业在技术力量 和财力上都比较容易实现,因此在全国较容易推广,普及。

(2)交流点位式 采用交流电机变频驱动,用光栅数字点位控制,与步进电机相比,提高了定位精 度。光栅分辨率可达 0.001mm,重复定位精度为 0.005mm,所以加工精度较高。由于 采用交流电机驱动,功率大,可进行大切屑量加工零件加工中,效果尤为显著。目前, 交流点式系统只能加工柱面,不能加工曲面和螺纹功能上有限,而且成本高,使性能 价格比相对下降,一般用于大企业或专业化工厂使用,国内用的很少。 (3)半闭环连续控制式 采用直流伺服电机驱动,以脉冲编码器检测位置,实现半闭环连续控制。由于采 用高性能直流伺服电机驱动,扭矩大,速度高,过载能力强,可进行强力切削。当丝 杠螺在 6mm 左右时,快速可达 8~9m/min,且不丢步,效率高。该系统功能齐全,还 带有可编程序控制器,使强电计大大简化。 对卧式车床进行数控化改造时,一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构, 这样可减少机械改造的工作量。主轴的正传、反转和停止可由数控系统来控制。 若要提高车床的自动化程度,需要在加工中自动变换转速,可用 2~4 速的多速电 动机代替原有的单速主电动机;当多速电动机仍不能满足要求时,可用交流变频器来 控制主轴电动机,已实现无极变速(工厂使用情况表明,使用变频器时,若工作频率 低于 70Hz,原来的电动机可以不换,但所选变频器的功率应比电机大)[9]。
2.2 换装自动回转刀架
为了提高加工精度,实现一次装夹完成多道工序,将车床原有的手动刀架换成自 动回转刀架。常见的自动回转刀架有四工位立式自动回转刀架和六工位卧式自动回转 刀架。如图 2.3 所示。
自动回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性,以承受粗加工时的切削抗 力。为了保证转位之后具有高的复杂定位精度,自动回转刀架还要选择可靠的定位方 案和合理的定位结构。自动回转刀架的自动换刀由控制系统和驱动电路来实现的。

图 2.3 自动回转刀架的外形
2.3 螺纹编码器的安装方案
螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹时,需要配置主轴 脉冲发生器,作为车床主轴位置信号的反馈元件,它与车床主轴同步转动。
螺纹编码器通常有两种安装形式:同轴安装和异轴安装。同轴安装是指将编码器 直接安装在主轴后端,与主轴同轴,这种方式结构简单,但它堵住了主轴的通孔。异 轴安装是指将编码器安装在主轴箱的后端,一般尽量装在与主轴同步的旋转输出轴, 如果找不到同步轴,可将编码器通过一对传动比为 1:1 的同步齿形带与主轴联接起 来。需要注意的是,编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性联接,且车床主 轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。
2.4 进给系统的改造与设计方案
(1)拆除挂轮架所有齿轮,在此寻找主轴的同步轴,安装螺纹编码器。 (2)拆除进给箱总成,在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速箱总成。 (3)拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条,在床鞍的下面安装纵向滚珠丝杠的 螺母座与螺母座托架。 (4)拆除四方刀架与小滑板总成,在中滑板上方安装四工位立式电动刀架。 (5)拆除中滑板下的滑动丝杠螺母副,将滑动丝杠靠刻度盘一段锯断保留,拆

掉刻度盘上的手柄,保留刻度盘附*的两个推力轴承,换上滚珠丝杠副。 (6)将横向进给步进电动机通过法兰座安装到中滑板后部的床鞍上,并与滚珠
丝杠的轴头相联。 (7)拆去三杠(丝杠、光杠与操纵杠),更换丝杠的右支承[10]。

2.5 数控系统部分设计

数控系统按运动方式分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续(轮廓)控制系

统根据设计要求,CA6140 车床要加工复杂零件轮廓,其各坐标轴的运动有着确定的函

数关系。根据设计要求,本微机数控系统采用连续控制系统。

采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、

控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。开环控制多用于负载变

化不大或要求不高的经济型数控设备中。

采用简易数控装置,以步进电机为驱动机构,实现在微机控制下的自动加工。其

工作原理是:根据加工零件的图样与工艺方案,用规定的代码和程序格式编写加工程

序,通过数控装置上的键盘输入微机,微机在监控程序的管理下工作,并通过专用控

制程序,把用户加工程序转化成一定频率和数量的脉冲信号,经驱动电路放大后驱动

纵横向二台步进电机转动,通过机械接口传动丝杠实现刀架纵、横两个方向的频率。

自动回转刀架由单片机发出换刀转位指令,由自动刀架驱动电源驱动三相电机使刀架

松开、抬起、旋转后再自动锁紧而完成转位换刀过程。

该经济型微机数控系统采用步进电机作为驱动元件。微机通过 I/O 接口发出驱动

脉冲,经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路,驱动控制线路接受来自数控车床

控制系统的进给脉冲信号,并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断

电的信号,使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠传动,丝杠转动使工作台

产生移动。如图 2.4 所示。

横向工作台





















x

步进

x

电机

图 2.4 CA6140 车床数控改造的方案示意图
综上所述,本设计改造的总体方案为:采用 MCS-51 单片机对数据进行计算处理,

由 I/O 接口输出步进脉冲,步进电机经一级齿轮减速后,带动滚动丝杠转动,从而实 现纵向、横向的进给运动。数控改造后的车床不仅提高了原车床的精度和自动化程度, 达到快速调整且仍能保持车床的通用性,而且提高了原车床的功能,利用数控方法准 确地加工任意面的旋转体[11]。

3 横向进给系统的改造设计

3.1 横向进给系统的设计与计算
3.1.1 横向进给系统的设计 步进电机经减速后驱动滚珠丝杠,使刀架横向运动。步进电机安装在大*迳希
用法兰盘将步进电机和机床大*辶悠鹄矗员Vね岫龋岣叽取 3.1.2 横向进给系统的设计计算 已知条件: 工作台重(根据图纸粗略计算) W = 30kgf = 300N 时间常数 T = 25ms 滚珠丝杠基本导程 L = 4mm 左旋 行程 S = 230mm 脉冲当量 δp = 0.005mm/step 步距角 α = 0.75o / step

快速进给速度 Vmax = 1mm/min (1)切削力计算 查参考文献[1]可得知,横向进给量为纵向的 1/2~1/3,取 1/2,则切削力约为纵
向的 1/2

在切断工件时:

Fz = (1/2) ?152.76 = 76.38kgf = 763.8N

(3.1)

Fz = 0.5 Fz = 0.50? 76.38 = 38.19kgf = 381.9N (2)滚珠丝杠设计计算 (a)强度计算 对于燕尾型导轨:

(3.2)

P = KFy + f ? (Fz + W)

(3.3)

取 K = 1.4 则

f ? = 0.2

P = 1.4 ? 38.19 + 0.2 ? (76.38 + 30)

= 74.74kgf = 747.4N

(3.4)

寿命值

Li

=

60 niTi 106

=

60?15?15000 106

= 13.5

(3.5)

最大动负载

Q = 3 Li = 3 13.5 ?1.2?1?74.74 = 213.55kgf = 2135.5N

(3.6)

根据最大动负荷 Q 的值,可选择滚珠丝杠的型号。查参考文献[2]可知,选用型

号为 WL2004-2.5X1B 左,其额定动负荷为 6100N,所以强度足够用。

(b)效率计算

螺旋升角 r = 3o39? ,摩擦角y = 10?

则传动效率

h

=

tan g tan( g + j

)

=

tan 3o38? tan( 3o38? +10?

)

=

0.956

(3.7)

(c)刚度验算

滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量

ΔL1



PL 0 EF

= ± 74.74 ?10 ? 0.4 ? 4 3.14 ? 20.6 ?106 ?1.7619 2

= ±5.96 ?10-6 cm

(3.8)

滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 ΔL2 很小,可忽略,即: ΔL = ΔL1 。所以,导

程变形总误差为

Δ = 100 ΔL = 100 ? 5.96 ?10-6 = 14.9μm/m

L0

0.4

(3.9)

查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差 1 m 长为 15 μm/m ,故刚度足够。

(d)稳定性验算 由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同,而支承方式由原来的一端固定、一 端悬空,变为一端固定,一端径向支承,所以稳定性增强,故不用验算。 (3)齿轮及转矩有关计算 (a)有关齿轮计算

传动比

i = j L0 = 0.75 ? 4 = 5 = 1.67 360 δp 360 ? 0.005 3

故取

Z1 = 18 m = 2mm

Z 2 = 30 b = 20mm a = 20o

d1 = 36mm d2 = 60mm da1 = 40mm da2 = 64mm a = 48mm 齿轮传动示意图。如图 3.1 所示。

(3.10)

图 3.1 齿轮传动示意图
(b)齿轮传动间隙的消除措施 进给伺服系统中的减速齿轮,除了本身要求较高的运动精度和工作*稳性外,还 必须尽可能消除齿侧传动间隙,否则,进给运动会产生反向死区,影响传动精度和系 统稳定性。常用的齿轮传动间隙消除的方法有以下两种。 ①偏心套调整法 如图 3.2 所示,电动机 2 通过偏心套 1 装在壳体上,通过转动偏心套 1 能够方便 地调整两齿轮的中心距,从而达到消除侧间隙的目的。该方法结构简单,传动刚度好, 能传递较大的转矩,但齿轮磨损后齿侧间隙不能自动补偿。

1-偏心套 2-电动机 图 3.2 偏心套调整机构
②双片薄齿轮错齿调整法 如图 3.3 所示,两个齿数相同的薄片齿轮 1、2 与另外一个宽齿轮 6 啮合。薄片 齿轮 1 与轴整体铸造而成,保证了机构的强度。薄片齿轮 2 套装在轴上,两片薄齿轮 之间可作相对回转运动。每个薄齿轮上分别连接三个沉头螺钉 4、5,并在齿轮 2 上开 有三个较大通孔。齿轮 1 上的三个沉头螺钉 5 从齿轮 2 上三个大孔中穿过后,再通过 拉簧 7 与齿轮 2 上的螺钉 4 相联,螺母 3 可防止拉簧滑出。由于拉簧 7 的拉力作用使 齿轮 1、2 相互之间产生回转,分别与宽齿轮 6 的两侧贴紧,从而消除了齿侧间隙。

1、2、6-齿轮 3-螺母 4、5-螺钉 7-拉簧 图 3.3 双片薄齿轮错齿调整机构

(c)转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量

J1

=(

180 δ p πj

)2 W

=

180 ? 0.005 (
3.14 ? 0.75

)2

? 30 ? 0.01 =

0.0439 kgf

× cm 2

丝杠转动惯量

J s = 7.8?10?4 ? 24 ? 50 = 0.624kgf × cm2

齿轮的转动惯量 J z1 = 7.8?10?4 ? 3.64 ? 2 = 0.262kgf × cm2

(3.11) (3.12) (3.13)

J z2 = 7.8?10?4 ? 64 ? 2 = 2.022kgf × cm2

(3.14)

电机转动惯量很小可忽略,因此,总的转动惯量

J

=

1 i2

(J S +

JZ2 )+

JZ1+

JI

= ?? 3 ÷?2 ? (0.624
è5?

+

2.022 )+ 0.262

+ 0.0439

= 1.258kgf × cm2

(3.15)

(d)所需转动力矩计算

n max

=

υmax i Lo

=

1000 ? 5 3
4

=

416 . 7 r/min

(3.16)

M amax

=

Jnmaxi 9.6 T

? 10 - 4

=

1.258? 416.7 ?10-4 9.6? 0.025

=

0.2184N × m

(3.17)

nt

=

n主 f1 Lo

=

1000 υfi πDL o

= 1000 ?100 ? 0.15 ? 5 3.14 ? 60 ? 4 ? 3

= 33.17r/min

M at

=

1.258 ? 33.17 9.6 ? 0.025

? 10 - 4

=

0.0174 N × m

=

0.1775 kgf

× cm

Mf

=

F0 L0 2 πηi

=

f ??W 2 πηi

=

0.2? 30 ? 0.4? 3 2 ? 3.14 ? 0.8? 5

= 0.287kgf

× cm = 0.028N × m

(3.18) (3.19) (3.20)

( ) ( ) Mo

=

FY Lo 6 πηi

1 - ηo2

= 38.19? 0.4 ? 3 1- 0.92 6? 3.14 ? 0.8? 5

= 0.116kgf ?cm = 0.011N?m

(3.21)

Mt

=

FY Lo 2 πηi

=

38.19? 0.4? 3 2? 3.14? 0.8? 5

= 1.824kgf?cm

=

0.179N?m

(3.22)

所以,快速空*舳枳

M = Mamax+ M f + Mo = 2.23+ 0.287 + 0.116 = 2.633kgf?cm = 26.33N?cm (3.23) 切削时所需力矩:
M = M at + M f + M o + M t = 0.1774 + 0.287 + 0.116 + 1.824 = 2.404kgf ?cm = 24.04N?cm

快速进给时所需力矩:

(3.24)

M = M f + Mo = 0.287 + 0.116 = 0.403kgf?cm = 4.03N?cm

(3.25)

从以上计算可知:最大转矩发生在快速启动时, Mmax = 2.633kgf × cm = 26.33N × m 3.1.3 步进电机的选择 C6140 横向进给系统步进电机的确定

Mq

=

M Lo 0.4

=

2.633?10 0.4

= 65.285N?cm

(3.26)

电动机选用三相六拍工作方式,查参考文献[1]表 7-2 知:

M q M im = 0.866 所以,步进电机最大静转矩 M im 为:

(3.27)

M im

=

Mq 0.866

=

65.825 0.866

= 76.01N?cm

(3.28)

步进电机最高工作频率

f max

=

υmax 60 δ p

=

1000 60 ? 0.005

= 3333.3Hz

(3.29)

为了便于设计和计算,选用 110BF003 型三相六拍步进电机,能满足使用要求。步进 电机的安装尺寸见表 3.1,图 3.4 所示[12]。

表 3.1 反应式/磁阻式步进电动机的安装尺寸

型号 φD φD1 h1 h2 φd E

b

L φd1 φD2



MS

110BF003 110 85 4 8 14 29 112 186 9

132 *键 4×20 无

图 3.4 步进电动机外型及安装尺寸
3.2 数控车床的传动装置设计
数控机床的传动装置是指将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机 械传动链及其附属机构。包括丝杠螺母副、导轨、工作台等。在数控机床数字调节技 术领域,传动装置是伺服系统中的一个重要环节。因此,数控车床的传动装置与普通 车床中传动装置在概念上有重要差别,它的设计与普通车床传动装置的设计不同。数 控车床传动装置的设计要求除了具有较高的定位精度之外,还应具有良好的动态特

性,即系统跟踪指令信号的响应要快,稳定性要好。为确保数控车床进给系统的传动 精度和工作稳定性,在设计机械传动装置时,通常提出了无间隙、低摩擦、高刚度等 要求。为了达到这些要求,采取主要措施如下:
(1)尽量采用低摩擦的传动,以减少摩擦力; (2)链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度; (3)量消除传动间隙,减少反向死区误差[13]。 3.2.1 螺旋传动 (1)概述 螺旋传动主要用来把旋转运动变为直线运动,或把直线运动变为旋转运动。其中, 有以传递能量为主的传力螺旋,有以传递运动为主,并要求有较高传动精度的传动螺 旋,还有调整零件相互位置的调整螺旋。螺旋传动机构又有滑动丝杠螺母、滚珠丝杠 螺母和液压丝杠螺母机构。 在经济型数控车床的进给系统中,螺旋传动主要用来实现精密进给运动,并广泛 采用滚珠丝杠副传动机构。 滚珠丝杠副传动是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间放入适当数量的滚珠。这些滚 珠作为中间传动件,使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种传动装 置。它由丝杠、螺母、滚珠及滚珠循环返回装置等四个部分组成。当螺杆转动螺母移 动时,滚珠则沿螺杆螺旋滚道面滚动,在螺杆上滚动数圈后,滚珠从滚道的一端滚出 并沿返回装置返回另一端,重新进入滚道,从而构成闭和回路。 (2)滚珠丝杠副传动的特点 (a)传动效率高,摩擦损失小。 (b)给予适当预紧,可消除丝杠和螺母的螺纹间隙,反向时就可以消除空程死 区,定位精度高,刚度好。 (c)启动力矩小,运动*稳,无爬行现象,传动精度高,同步性好。 (d)有可逆性,可以从旋转运动转换为直线运动,也可以从直线运动转换为旋 转运动,即丝杠和螺母都可以作为主动件。 (e)磨损小,使用寿命长,精度保持性好。 (f)制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高,表面粗糙度值别 别小,故制造成本高。 (g)不能自锁。特别是对于垂直丝杠,由于中立的作用,下降时当传动切断后,

不能立刻停止运动,所以需要添加制动装置。 (3)滚珠丝杠副的支承方式 为了满足高精度、高刚度进给系统的需要,必须充分重视滚珠丝杠副支承的设计。 (a)一端固定 一端自由 丝杠的静态稳定性和动态稳定性都很低。 结构简单 轴向刚度小 适用于较短的滚珠丝杠安装和垂直的滚珠丝杠安装 (b)两端铰支 结构简单 轴向刚度小 适用于对刚度和位移精度要求不高的滚珠丝杠安装 对丝杠的热伸长较敏感 适用于中等回转速度 (c)一端固定 一端铰支 丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高,适用于中等回转速度 结构稍复杂 轴向刚度大 适用于对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠安装 推力球轴承应安置在离热源(步进电机)较远的一端 (d)两端固定 丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高,适用于高速回转 结构复杂,两端轴承均调整预紧,丝杠的温度变形可转化为推力轴承的预紧力 轴向刚度最大 适用于对刚度和位移精度要求高的滚珠丝杠安装 适用于较长的丝杠安装 详见表 3.2。

支承形式 双推-自由 双推-简支 单推-单推 双推-双推

表 3.2 滚珠丝杠副的支承形式

简图

特点

1.刚度、临界转速、压杆稳定性低 2.设计时尽量使丝杠受拉伸 3.适用于较短和垂直安装的丝杠

1.临界转速、压杆稳定性较高 2.丝杠有热膨胀的余地

3.适用于较长的卧式安装的丝杠

可根据预计温升产生的热膨胀量进行预拉



1.丝杠的轴向刚度高 2.丝杠一般不会受压,无压杆稳定性问题 3.可用预拉伸减小因丝杠自重引起的下垂 4.适用于对刚度和位移精度要求高的场合

综上所述,本设计中滚珠丝杠副支承方式由原来的一端固定、一端悬空,变为一 端固定,一端径向支承。
(4)滚珠丝杠副轴向间隙的调整 滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和轴向刚度,必须消除 轴向间隙。消除间隙的方法采用双螺母结构,利用两个螺母的相对轴向位移,使两个 滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴 向间隙时,应注意预紧力不宜过大,预紧力大会使空载力矩增加,从而降低传动效率, 缩短使用寿命。此外,还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙[14]。 3.2.2 轴的结构设计 (1)轴 CAJJX6140-02-04 的结构设计 由 前 面 滚 珠 丝 杠 副 的 设 计 可 知 : 滚 珠 丝 杠 的 直 径 为 20mm 。 由 于 丝 杠 与 轴 CAJJX6140-02-04 通过联接套联接,考虑到轴的加工方便性和整体的连贯性,轴 CAJJX6140-02-04 的轴身部分直径与滚珠丝杠的直径相同,均为φ20mm,其长度根据 原车床实际需要的尺寸而定,轴颈部分直径为 17mm。如图 3.5 所示。

图 3.5 轴 CAJJX6140-02-04
(2)轴 CAJJX6140-02-08 的结构设计 考虑与轴承内经的配合,所以该轴两端支承部分直径为 17mm。由于该轴需与法兰 盘联接,而且该轴相对较长,因此在设计时为了方便安装,降低装配难度,将轴身部 分增加一个轴肩,直径适当减小,使其有一过渡,轴身直径为 15mm。因为该轴的右端 还需安装一个透盖,用双螺母对其紧固。轴与透盖用一键使其周向固定。查参考文献 [3]可知,根据轴的直径选用型号为 GB/T1098-1979 的键,键槽宽度为 3mm,深度为 3.8mm。如图 3.6 所示。
图 3.6 轴 CAJJX6140-02-08
3.2.3 透盖的结构设计 透盖的内径和长度由与之配合的轴 CAJJX6140-02-08 的直径和长度决定,所以透
盖的直径为 16mm,长 33mm。因为选用型号为 GB/T1098-1979 的键,查参考文献[3]可 知,毂 t1=1.4mm,上偏差为+0.1,下偏差为 0。外圆的直径由法兰盘的直径决定,为 96mm。如图 3.7 所示。

图 3.7 透盖 CAJJX6140-02-01
3.2.4 螺母座的结构设计 螺母座的长度根据滚珠螺母的长度而定。螺母座与滚珠螺母通过键进行轴向固
定,查参考文献[4]可知,该键型号选用 GB/T1096-1979,4×4×30。滚珠丝杠副通过 螺母座带动工作台移动,因此螺母座通过螺钉与工作台联接。查参考文献[4]可知, 螺钉型号选用 GB/T70-1985。如图 3.8 所示。

图 3.8 螺母座 CAJJX6140-02-07
3.3 自动转位刀架的设计
自动转位刀架的设计是普通机床数控改造机械方面的关键。在进行普通车床的经 济型数控改造时,多采用外购自动转位刀架。由微机控制的自动转位刀架具有重复定 位精度高,工件刚性好,性能可靠,使用寿命长以及工艺性好等特点。
自动转位刀架设计时,刀架要能自动完成抬起、回转、选位、下降、定位和压紧, 即要设计出合理的机构又要检测出个顺序动作的电信号,以便由控制系统加以控制。 自动回转刀架的传动结构示意图如图 3.9 所示。

1-发信盘 2-推力轴承 3-螺杆螺母副 4-端面齿盘 6-三相异步电动机 7-联轴器 8-蜗杆副 9-反靠销 10-圆柱销 11-上盖圆盘 12-上刀体 图 3.9 自动回转刀架的传动结构示意图
刀架的回转常采用微电机通过蜗轮蜗杆使刀架抬到一定高度时,由拨块带动刀架 转动。刀架的选位由刀架位置的编码和微机程序来[15]实现。
这里选用的是 LD4-1 型自动刀架,其工作原理是由微机发出换刀信号,使微电机 正转,通过减速机构和升降机构将上刀体升至一定位置时,离合转盘起作用,带动上刀 体旋转,旋转到所选刀位,发信盘发出刀位信号,使微电机反转,反靠初定位,上刀体下 降,齿牙盘啮合,完成精定位,并通过蜗轮蜗杆,锁紧螺母,使刀架固紧。当夹紧力 达到预先调好的状态时,过流继电器动作,切断电源,电机停转,并向微机发出回答 信号,开始执行下道工序。刀架的动作顺序简明地表示为:微电机——减速机构—— 升降机构——上刀体上升转位——信号符合——粗定位机构——上刀体下降——精 定位——刀体锁紧——微电机停转——换刀回答信号——加工顺序执行。自动刀架的 换刀流程如图 3.10 所示。

图 3.10 自动回转刀架的换刀流程图

4 微机数控部分设计
4.1 概述
数控机械的开环数控系统一般用步进电机作为执行驱动元件,因此又称为开换步 进控制系统。由于这种系统不使用位置、速度检测和反馈装置,没有闭环控制系统中 的稳定性问题,因此具有结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低等一系列 优点,适用于精度要求不太高的中小型数控设备。开环系统主要由脉冲分配器、驱动 电源、步进电机组成。
步进电机是一种多相脉冲电机,它的各相绕组必须按一定的规律轮流供电,步进 电机才能按一定的方向旋转。为实现步进电机各绕组间有规律轮流供电,可以采用硬 件逻辑来实现,也可以用计算机软件来实现。
单片机通过运算不断地向步进电机发出脉冲分配信号,这样就使步进电机朝一个 方向不断转动。单片机发出的脉冲速度快,步进电机也转得快,单片机发出的脉冲速 度慢,步进电机也转得慢,这样单片机就可以通过改变输出脉冲的速度来改变步进电 机的速度。单片机还可以通过改变脉冲分配的顺序来改变电机的转动方向。再通过机 械传动使电机的转向、转速、转角变为工作台的进退、移动速度和位移量。单片机就 是这样通过步进电机驱动系统来控制工作台运动的。
由于单片机脉冲输出的脉冲功率很小,不足以推动步进电机,因而必须有一个把 脉冲信号放大到足以推动步进电机转动的放大器,这就是步进电机驱动电源。由于步 进电机是一个电感性负载,电流的上升率受电感大小的影响而在高频运行时扭矩将有 较大的下降。所以在设计驱动电源时必须采取适当的措施来提高电流的上升率以保证 运行时有足够的扭矩。由此可见步进电机和步进电机驱动电源的性能好坏将对开环数 控系统的性能起很重要的作用。如图 4.1 所示。

RAM ROM

光电隔

功率放

步进电

CPU

I/O 接口







外设
键盘、显示器
图 4.1 数控系统结构框图
4.2 数控系统的硬件电路设计
任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础,其性能 的好坏直接影响整个系统的工作性能。有了硬件,软件才能有效的运行。机床数控系 统硬件电路概括起来由 CPU、总线、存储器以及 I/O 接口四部分组成。其中 CPU 是数 控系统的核心,作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存储器用于存 放系统软件,应用程序和运行中所需要的各种数据。I/O 接口是系统与外界进行信息 交换的桥梁。总线则是 CPU 与存储器、接口以及其它转换电路联接的纽带,是 CPU 与 部分电路进行信息交换和通讯的必由之路[16]。
控制系统的原理框图如图 4.2 所示。

图 4.2 控制系统原理框图
4.3 软件设计
车床数控系统设计与应用工作中,软件设计是一个重要方面。实际上,软件设计 与硬件设计工作是不可分割的,二者必须结合进行。软件设计工作,按其功能可分二 类:一类是执行软件,它能完成各种实质性的功能;另一类是监控(管理)软件,它 是控制微机系统按预定的操作方式运转的程序。但执行软件和监控软件没有明确的界 限和固定的功能划分。*惯*鸭探馐统绦蜃魑嗫爻绦颍渌挝穸挤稚⒃谔囟 功能的执行程序中,并由监控程序来调用必要的功能模块,完成预定的任务[17]。
在进行软件设计时,应从全局着眼,先将整个系统的任务按功能分成一个一个的 模块,并为每一个执行模块定义,然后设计出每一个具体模块的程序,最后组成一个 系统。不仅整个系统的程序结构可具有模块化的特性,而且其模块内部也可以分为小 模块。模块特性对测试很有利,功能扩充也很方便。要增加新功能,只要增加新模块 就能实现,像搭积木一样。因此,这样的模块程序设计方法,思路清晰,逻辑性强,

柔性较大。如图 4.3 所示。

数控系统

加工程序

管理与操作模块



步环速间



进行度隙



电分控补



机配制偿













管理模块 程序设计





















图 4.3 数控系统框图

自动换刀 程序设计
键 盘 诊 断

结束语
迄今为止,经过 3 个多月的努力,毕业设计已基本完成。课题的主要设计内容有 以下几点:
(1)分析国内外数控机床的发展趋势、机床改造的意义以及设计任务 (2)对 CA6140 卧式车床进行了总体方案的确定 (3)对横向进给系统进行了详细的改造设计 (4)微机部分的改造设计 通过以上设计了解掌握了一种系统设计的思维方法。不仅提高收集、阅读、分析 和运用资料的能力,独立工作的能力,理论联系实际的设计和计算能力,和结构设计 与编制技术文件的能力,而且使我的专业知识得到了进一步的巩固。在此之中遇到了 一些问题,在老师和同学的帮助下得到了解决。由于自身的经验有限,面对这些关键 性问题只能从理论上去寻求解决的方法。因此,自己所设计的结构和运用到生产实践 中仍相距甚远。总而言之,这次毕业设计使我收益非浅,为我今后的工作打下了良好 的基础。

致谢
本论文由张少文指导老师审阅全搞。从课题的选择、方案制定、工作实施到论文 的撰写、修改无不渗透着老师的心血。张老师以他严肃的科学态度,严谨的治学精神, 精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我。在学*和毕业设计过程中给予我很大 的启迪与帮助,给我留下了极为深刻的印象,使我对以后的工作充满信心。同时还在 思想、生活上给我以无微不至的关怀。许多同组设计人员和其他同学都提出了热情而 中肯的建议,都对提高本论文质量给予了很大的帮助,我在此致以衷心的感谢。
最后,由于我的水*和时间所限,误漏之处恐属难免,殷切期望广大老师和专家 随时予以批评指正。

参考文献
[1] 张新义.经济型数控车床系统设计[M].北京:机械工业出版社,1994. [2] 《机床设计手册》编写组编.机床设计手册 2 零件设计(上册)[M].北京:
机械工业出版社,1980. [3] 成大先.机械设计手册单行本联接与紧固[M].北京:化学工业出版社,2004. [4] 徐灏.机械设计手册[M]. 第二版,北京:机械工业出版社,2000. [5] 赵松年、戴志义.机电一体化数控系统设计[M].北京:机械工业出版社,1994. [6] 赵松年、张奇鹏.机电一体化机械系统设计[M].上海:同济大学出版社,1990. [7] 黄家善.计算机数控技术[M].北京:机械工业出版社,2004. [8] 李善术.数控机床及其应用[M].北京:机械工业出版社,2001. [9] 国家教委高等教育司、北京市教育委员会编.高等学校毕业设计(论文)指
导手册[M].北京:高等教育出版社,1998. [10] 尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书[M]. 北京:机械工业出版
社,2007. [11] 陈秀宁、施高义.机械设计课程设计[M].浙江:浙江大学出版社出版,1995. [12] 李国农.普通车床的经济型数控改造实例[J].水利电力机械,2001. [13] 龙世杰.CA6140 车床的经济型数控改造[J].机电一体化,1998. [14] 王宗荣、左晓名、鲁屏宇.工程图学[M].北京:机械工业出版社,2001. [15] 成大先.机械设计手册单行本机械传动[M].北京:化学工业出版社,2004. [16] 胡光耀.普通卧式车床的经济型数控改造[J].贵州农机化,2001. [17] 甘永立.几何量公差与检测 [M].第五版,上海:上海科学技术出版社,2001.




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