畢業(yè)論文--ca6132普通車床的數(shù)控化改造

1、<p>　　CA6132普通車床的數(shù)控化改造</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代科技和社會(huì)生產(chǎn)水平的不斷提高，零件的精度要求越高，要求用于零件加工的機(jī)床有更高的精度和自動(dòng)化?？紤]到機(jī)床的生產(chǎn)能力和成本問題，以舊車床為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)控化改造提高機(jī)床的占有率是一條節(jié)約資金而又快速有效的方法。本文以CA6132作為研究對(duì)象，主要研

2、究?jī)?nèi)容如下。</p><p>　　本文對(duì)CA6132普通車床的數(shù)控化改造進(jìn)行了深入研究，包括對(duì)數(shù)控車床結(jié)構(gòu)的分析、數(shù)控車床的改造方案、主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、主軸的形狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算、主電動(dòng)機(jī)的選擇、進(jìn)給伺服電機(jī)的選用、滾珠絲桿的計(jì)算與選用。根據(jù)機(jī)械、動(dòng)力學(xué)原理，重新設(shè)計(jì)了車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)，使車床實(shí)現(xiàn)變頻無(wú)級(jí)調(diào)速。結(jié)合車床工作條件加工質(zhì)量，合理選擇滾珠絲桿、齒輪和伺服電機(jī)。通過(guò)以上的設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床的改造，實(shí)現(xiàn)要

3、求的技術(shù)參數(shù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：機(jī)床占有率 數(shù)控化改造 伺服電機(jī) 主傳動(dòng) 滾珠絲桿 </p><p>　　Numerical control innovation of CA6132 common lathe</p><p>　　Abstract：With the continuous improvement of modern scie

4、nce and technology and the level of social production, the higher the accuracy of the parts, the requirements for the machine tool has a higher precision of parts processing and automation. Considering Machine tool produ

5、ction capacity and cost into consideration, improving machine toolˊshare by numerical control transformation is an efficient and quick way.</p><p>　　In this paper, the CA6132 ordinary lathe numerical control

6、 transformation was studied. That includes the analysis of the numerical control lathe structure, the retrofit scheme of numerical control lathe, the main drive system design, the shape of the spindle structure design an

7、d calculation, the choice of main motor, feed servo motor selection, calculation and selection of ball screw. The main drive system of machine tool was redesigned According to the principle of machinery and dynamics, mak

8、in</p><p>　　Key words: machine toolˊshare numerical control transformation servo motor </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>

9、　　1.1數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床1</p><p>　　1.2 數(shù)控化改造的背景1</p><p>　　1.3 數(shù)控化改造的優(yōu)點(diǎn)2</p><p>　　1.4 普通車床數(shù)控化改造的現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4.1數(shù)控化改造國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4.2 普通機(jī)床數(shù)控化改造的趨勢(shì)3<

10、/p><p>　　1.5 數(shù)控化改造的目的和內(nèi)容4</p><p>　　1.5.1 數(shù)控化改造的目的4</p><p>　　1.5.2 數(shù)控化改造的內(nèi)容5</p><p><b>　　本章小結(jié)5</b></p><p>　　第2章 機(jī)械部分?jǐn)?shù)控化改造總體方案6</p><

11、p>　　2.1 CA6132普通車床與數(shù)控車床的參數(shù)對(duì)比6</p><p>　　2.2 數(shù)控化改造的總體設(shè)計(jì)方案7</p><p>　　2.2.1主傳動(dòng)系統(tǒng)7</p><p>　　2.2.2進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造7</p><p>　　2.2.3刀架的改造8</p><p>　　2.2.4 改造方案圖9&

12、lt;/p><p><b>　　本章小結(jié)9</b></p><p>　　第3章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控化改造10</p><p>　　3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式10</p><p>　　3.2 主軸驅(qū)動(dòng)與控制11</p><p>　　3.3 主軸電動(dòng)機(jī)11</p><p>

13、;　　3.4 主軸組件12</p><p>　　3.4.1 主軸組件的性能要求12</p><p>　　3.4.2 主軸12</p><p>　　3.4.3 主軸軸承13</p><p>　　3.4.4 主軸組件的計(jì)算13</p><p>　　3.5 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)15</p><p&g

14、t;　　3.5.1 帶輪16</p><p>　　3.5.2 同步帶的選用與計(jì)算16</p><p><b>　　本章小結(jié)18</b></p><p>　　第4章 進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控化改造19</p><p>　　4.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成19</p><p>　　4.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本

15、要求19</p><p>　　4.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制方式20</p><p>　　4.4 進(jìn)給系統(tǒng)改造21</p><p>　　4.4.1 電動(dòng)機(jī)的選用21</p><p>　　4.4.2 滾珠絲桿的計(jì)算與選擇21</p><p>　　4.4.3 齒輪傳動(dòng)消隙機(jī)構(gòu)29</p><p&

16、gt;<b>　　本章小結(jié)29</b></p><p>　　第5章 自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)31</p><p>　　5.1 自動(dòng)換刀裝置的作用與要求31</p><p>　　5.2 自動(dòng)換刀裝置的選用31</p><p><b>　　本章小結(jié)31</b></p><p>

17、;<b>　　結(jié) 論32</b></p><p><b>　　致 謝33</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)34</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床</p>

18、<p>　　數(shù)控技術(shù)，簡(jiǎn)稱數(shù)控(Numerical Control——NC)，是利用數(shù)字化信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，因此，也可以稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控(Computer Numerical Control——CNC)。 </p><p>　　采用了數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的機(jī)床，或者說(shuō)裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為數(shù)控機(jī)床。它是一種綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、精

19、密測(cè)量技術(shù)和機(jī)床設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品，是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它很好地解決了形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高及小批量零件的加工問題且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅度提高生產(chǎn)效率。機(jī)床控制也是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用最早、最廣泛的領(lǐng)域，因此，數(shù)控機(jī)床的水平代表了當(dāng)前數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和方向。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床能夠自動(dòng)換刀、自動(dòng)變更切削參數(shù)，完成平面、回旋面、平面曲線的加工，加工精度和生產(chǎn)效率都比較高，因而應(yīng)用日益廣泛[2]。

20、</p><p>　　1.2 數(shù)控化改造的背景</p><p>　　隨著國(guó)內(nèi)外科技水平的不斷發(fā)展，各行業(yè)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量有了很高的要求。同時(shí)產(chǎn)品的更新?lián)Q代也在加快。所以機(jī)床不僅僅要求有很高的生產(chǎn)率與精度，而且要能迅速適應(yīng)產(chǎn)品的交換。普通的機(jī)床已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的需要，從而催生了數(shù)控機(jī)床，加快了數(shù)控化改造的發(fā)展。</p><p>　　隨著微電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技

21、術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床迅速地發(fā)展起來(lái)。盡管數(shù)控機(jī)床可以較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批量多品種零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率。同時(shí)數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)柔性化、靈捷化、智能化和信息化加工制造的基本單元。但是我國(guó)現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的占有率卻不容樂觀，我國(guó)機(jī)床總量約380萬(wàn)臺(tái)，其中數(shù)控機(jī)床只有11萬(wàn)臺(tái)，數(shù)控機(jī)床占有率不足3%，而一些發(fā)達(dá)國(guó)家已達(dá)到20%以上[1]。逐步提高數(shù)控機(jī)床的占有率，已經(jīng)成為我國(guó)制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。而提高數(shù)控機(jī)床占有率的方

22、法有兩種：其一是通過(guò)增添新的數(shù)控機(jī)床，但是由于數(shù)控機(jī)床的價(jià)格昂貴，一次性投資大，并且很多企業(yè)還擁有大量的普通機(jī)床，所以考慮到資金與資源的利用，這種方法很難實(shí)施。其二是對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，以此來(lái)提高普通機(jī)床的先進(jìn)性與數(shù)控化，數(shù)控化改造費(fèi)用低廉，經(jīng)改造后的機(jī)床基本上能夠達(dá)到機(jī)械產(chǎn)品的加工精度要求，所以數(shù)控化改造是一條可行的道路。</p><p>　　車床數(shù)控化改造研究是提高我國(guó)技術(shù)裝備水平的重要項(xiàng)目，在我國(guó)目前

23、擁有大量超期服役和技術(shù)陳舊的機(jī)床急待更新的情況下，由于數(shù)控車床的加工能力和資金受限，對(duì)車床進(jìn)行數(shù)控化改造是一條節(jié)約資金、快速上馬的有效途徑。利用現(xiàn)有臥式車床，通過(guò)數(shù)控化改造，使其成為一臺(tái)高效、多功能的數(shù)控車床，是一種盤活資金的有效途徑，也是低成本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的行之有效的方法。因?yàn)橐环矫嫖覈?guó)臥式車床保有量大，要將臥式車床淘汰掉是不經(jīng)濟(jì)、也不現(xiàn)實(shí)的做法；另一方面，從我國(guó)目前生產(chǎn)狀況來(lái)看，仍然以生產(chǎn)臥式車床為主，臥式車床的數(shù)控化改造將會(huì)長(zhǎng)期存在

24、，并會(huì)不斷的發(fā)展[2]。</p><p>　　1.3 數(shù)控化改造的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　經(jīng)過(guò)數(shù)控化改造后的普通車床雖然達(dá)不到數(shù)控機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)，但相對(duì)普通車床而言，在很多方面都有了很大的提升，尤其是自動(dòng)化控制與無(wú)級(jí)調(diào)速。以下便是經(jīng)過(guò)數(shù)控化改造后的車床的優(yōu)勢(shì)：</p><p>　　1）擁有數(shù)控車床的直線與圓弧插補(bǔ)功能，能夠加工倒角，圓弧和復(fù)雜的回轉(zhuǎn)體零件。</p

25、><p>　　2）由于主傳動(dòng)和進(jìn)給系統(tǒng)分別用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、精確控制。所以加工出來(lái)的零件有較高的精度</p><p>　　3）縮短了加工輔助時(shí)間，不再需要人工換刀，批量生產(chǎn)是只需經(jīng)過(guò)一次對(duì)刀，很大的提高了生產(chǎn)效率</p><p>　　4）由于一臺(tái)機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)多工序的加工，省去了工件的搬運(yùn)時(shí)間</p><p>　　能夠控制機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)切

26、削，降低了人工強(qiáng)度和人工操作誤差。減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)。</p><p>　　5）可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化、柔性化，從而效率比傳統(tǒng)機(jī)床提高3-7倍。</p><p>　　6）機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC(柔性制造單元)、FMS(柔性制造系統(tǒng))以及CIMS(算機(jī)集成制造系統(tǒng))等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。</p><p>　　1.4

27、普通車床數(shù)控化改造的現(xiàn)狀</p><p>　　1.4.1數(shù)控化改造國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家把機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在大量生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的同時(shí)，還非常重視普通機(jī)床的數(shù)控化改造，機(jī)床改造正逐步從制造業(yè)中分化出來(lái)，并形成了把機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)。如德國(guó)的Schiess公司在1981年把一臺(tái)加工直徑為19m的超重型立式車

28、床改裝成數(shù)控機(jī)床。在美國(guó)機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生(Remanufacturing)業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機(jī)床公司、Devlieg—Bullavd(得寶)服務(wù)集團(tuán)、US設(shè)備公司等。美國(guó)得寶公司已在中國(guó)開辦公司。在日本，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝(Retrofilng)業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代陽(yáng)工機(jī)公司、野崎工程公司、濱團(tuán)工程公司、山本工程公司等[9]。</p&g

29、t;<p>　　目前國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的占有率很低，與其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比有很大的差距，但由于購(gòu)買數(shù)控機(jī)床昂貴，對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造成為了提高數(shù)控車床占有率唯一可行的方法。如：國(guó)防科技工業(yè)開展普通機(jī)床數(shù)控化改造“十五”期間計(jì)劃改造1．2～1．6萬(wàn)臺(tái)，目前已完成3000多臺(tái)。改造后生產(chǎn)效率提高約3倍，加工精度提高20％，與新購(gòu)設(shè)備相比可節(jié)約資金50％以上。中國(guó)三江航天集團(tuán)對(duì)具有改造價(jià)值的109臺(tái)普通機(jī)床進(jìn)行了數(shù)控化改造，取得了良好

30、的效果。中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)西南自動(dòng)化研究所積極開發(fā)普通機(jī)床數(shù)控化改造技術(shù)，累計(jì)完成普通機(jī)床數(shù)控化改造2000余臺(tái)[9]。</p><p>　　1.4.2 普通機(jī)床數(shù)控化改造的趨勢(shì)</p><p>　　對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的最終目的就是能夠使改造后的機(jī)床能夠無(wú)限接近數(shù)控機(jī)床的性能，所以數(shù)控化改造也隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展發(fā)展：</p><p>　　1)高速化、高精度、高可

31、靠性</p><p>　　目前車床和車削中心主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到8000 r／min，加工中心的主軸轉(zhuǎn)速一般都在15000r／min～20000 r／min，高的達(dá)到60000 r／min，切削進(jìn)給速度般達(dá)到20 m／min，高的甚至達(dá)到60 m／min，為充分發(fā)刀具材料性能、提高加工效率、降低加工成本，并且高加工精度和表面加工品質(zhì)，數(shù)控裝備將進(jìn)一步向高速度或超高速方向發(fā)展。近10年來(lái)，在加工精度方面，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加

32、工精度已由±10um提高到±5um；精密級(jí)加工中心則從±(3-5)um，提高到±(1-1．5）um；超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)(0．0019m)。國(guó)外數(shù)控裝置MTBF己達(dá)60000 h以上，伺服系統(tǒng)MTBF達(dá)到30000 h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。</p><p>　　2)柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化</p><p>　　作為推行FMC,FMS,C

33、IMS等信息化改造的基礎(chǔ)，經(jīng)數(shù)控化改造后的機(jī)床不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)基本的切削加工、自動(dòng)換刀、自動(dòng)工作臺(tái)交換等功能，隨著數(shù)控機(jī)床相柔性化方向的發(fā)展功能集成化更多體現(xiàn)在：工件自動(dòng)裝卸、工件自動(dòng)定位、工件自動(dòng)對(duì)刀、工件自動(dòng)測(cè)量和集裝卸、加工、測(cè)量為一體的“完整加工”等。并且目前先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)為用戶提供了強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)能力，除了具有RS232C外，還帶有遠(yuǎn)程緩沖功能的DNC接口，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)數(shù)控機(jī)床間的數(shù)據(jù)通信和直接對(duì)多臺(tái)數(shù)控進(jìn)行控制。</p>

34、;<p><b>　　3）工藝復(fù)合化</b></p><p>　　為了減少加工的輔助時(shí)間，往往很多工序都集中在一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行加工，這就是工藝復(fù)合化。數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺(tái)機(jī)床上一次裝夾后，通過(guò)自動(dòng)換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺(tái)等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工，以減少非加工時(shí)間。因?yàn)樵诹慵庸み^(guò)程中有大量的無(wú)功時(shí)間消耗在工件搬運(yùn)、上下料、安裝調(diào)整、換刀和主軸的升降速上

35、。</p><p><b>　　4）智能化</b></p><p>　　隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展。在新一代的數(shù)控系統(tǒng)中，由于采用“進(jìn)化運(yùn)算”、“模糊系統(tǒng)”和“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”等控制機(jī)理，性能大大提高，具有加工過(guò)程的自動(dòng)適應(yīng)控制、負(fù)載自動(dòng)識(shí)別、工藝參數(shù)自生成、運(yùn)動(dòng)參數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償、只能診斷、智能監(jiān)控等功能。</p><p

36、>　　1.5 數(shù)控化改造的目的和內(nèi)容</p><p>　　1.5.1 數(shù)控化改造的目的</p><p>　　通過(guò)對(duì)普通的CA6132車床進(jìn)行數(shù)控化改造，從而使普通車床實(shí)現(xiàn)數(shù)控化控制，在充分利用現(xiàn)有資源的同時(shí)提高生產(chǎn)加工效率和加工精度，使普通車床的功能能夠滿足現(xiàn)代制造業(yè)的要求。同時(shí)通過(guò)此次的論文設(shè)計(jì)對(duì)普通車床與數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、所能實(shí)現(xiàn)的功能和各個(gè)機(jī)構(gòu)的工作原理有更深的認(rèn)識(shí)，對(duì)機(jī)床數(shù)

37、控化改造的步驟和理論知識(shí)的應(yīng)用有大概的把握與了解，積累在這方面的經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　1.5.2 數(shù)控化改造的內(nèi)容</p><p>　　CA6132普通車床的機(jī)械部分?jǐn)?shù)控化改造主要是對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)和刀架的改造。主傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，并且保證有較大的調(diào)速范圍。當(dāng)車床低速切削時(shí)主軸電機(jī)能夠提供足夠大的切削功率。同時(shí)主軸必須保持一定的回轉(zhuǎn)精度，從而提高車床的加工精度。改造

38、后的進(jìn)給系統(tǒng)不但要求能夠加工復(fù)雜的回轉(zhuǎn)體零件和圓弧，還應(yīng)該有很高的精度和快速響應(yīng)的特性，這樣才能保證所要求的精度要求。刀架有多個(gè)刀位，并且刀架能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)控制而實(shí)現(xiàn)刀架的回轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了數(shù)控機(jī)床對(duì)現(xiàn)代切削加工的重要性和優(yōu)勢(shì)，數(shù)控化改造產(chǎn)生的背景、歷史以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。總結(jié)出數(shù)控化改造的目的和內(nèi)

39、容。</p><p>　　第2章 機(jī)械部分?jǐn)?shù)控化改造總體方案</p><p>　　2.1 CA6132普通車床與數(shù)控車床的參數(shù)對(duì)比</p><p>　　表2-1 參數(shù)對(duì)比</p><p>　　2.2 數(shù)控化改造的總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　2.2.1主傳動(dòng)系統(tǒng)</p><p>　　由于要

40、保證加工零件表面質(zhì)量的一致性和加工質(zhì)量，所以必須是主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定并能實(shí)現(xiàn)恒速切削。這就要求主軸能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。以下是主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案：拆除原車床的主軸電動(dòng)機(jī)與主軸箱，用伺服電動(dòng)機(jī)替換原有的三相異步電動(dòng)機(jī)，所選的伺服電動(dòng)機(jī)必須提供足夠的切削力和切削功率。通過(guò)已確定的數(shù)據(jù)計(jì)算主軸的結(jié)構(gòu)、材料與尺寸，使主軸具有足夠的剛度與精度。通過(guò)帶輪將伺服電動(dòng)機(jī)與主軸進(jìn)行定比聯(lián)接，重新選擇主軸部件的支承，如軸承。并且重新設(shè)計(jì)主軸部件結(jié)構(gòu)，從而降低主傳動(dòng)

41、的噪音、共振及發(fā)熱等問題。</p><p>　　為了使改造后的數(shù)控車床能自動(dòng)加工螺紋，須配置主軸脈沖編碼器作為車床主軸位置信號(hào)的反饋元件，其目的是用來(lái)檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)角的位置，通過(guò)主軸—脈沖編碼器—數(shù)控系統(tǒng)—步進(jìn)電機(jī)的信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架縱向移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程的車螺紋運(yùn)動(dòng)。 主軸脈沖編碼器的安裝，通常采用兩種方式：一種是同軸安裝，另外一種是異軸安裝。同軸安裝的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是安裝后不能加工穿入車床主軸孔的零件，

42、限制了工件的加工長(zhǎng)度，而異軸安裝不會(huì)遇到這種問題，因此，異軸安裝較合適。</p><p>　　2.2.2進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造</p><p>　　數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)具有精度高、速度快和穩(wěn)定性的特點(diǎn)并且還要有快速響應(yīng)的特點(diǎn)，所以，拆除原來(lái)的手動(dòng)操作裝置，在遠(yuǎn)離操作者的床鞍與床身上安裝伺服電動(dòng)機(jī)，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，在另一端安裝光電脈沖編碼器。為了減小摩擦，拆除原來(lái)的傳動(dòng)原件改用滾珠絲桿傳動(dòng)以提高

43、精度，穩(wěn)定性和快速響應(yīng)的特點(diǎn)。用螺母連接工作臺(tái)與絲桿，絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。通過(guò)雙螺母預(yù)緊的方法可以調(diào)整滾珠絲桿副軸間的間隙。為了使進(jìn)給系統(tǒng)在低速時(shí)有很大的轉(zhuǎn)矩，于是在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿之間用一級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)連接，滾珠絲桿的一段作為減速機(jī)構(gòu)的輸出軸。齒輪副間同樣存在著間隙，常見的消隙方法有剛性與柔性消隙。車床進(jìn)行橫向進(jìn)給時(shí)，由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速箱將動(dòng)力傳遞給滾珠絲杠，再由滾珠絲杠帶動(dòng)螺母座，再通過(guò)螺母座帶動(dòng)中拖板做橫向運(yùn)動(dòng)。滾珠

44、絲杠螺母副繼續(xù)采用雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙。 縱向運(yùn)動(dòng)同樣是這樣。</p><p>　　圖2-1 橫向傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2.3刀架的改造</p><p>　　拆除原手動(dòng)刀架和小拖板，安裝由數(shù)控系統(tǒng)控制的四工位電動(dòng)刀架。根據(jù)車床的型號(hào)及主軸中心高度，選用常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的LD4-C6132型電動(dòng)刀架，該刀架內(nèi)帶120W三相

45、交流異步電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)正轉(zhuǎn)選刀。內(nèi)置的4只霍爾元件檢測(cè)刀位位置，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)完成刀具定位鎖緊。</p><p>　　圖2-2電動(dòng)刀架安裝實(shí)物圖</p><p>　　2.2.4 改造方案圖</p><p>　　圖2-3 車床的改造方案路線</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>

46、　　本章通過(guò)將普通車床和數(shù)控車床進(jìn)行參數(shù)對(duì)比，然后得出車床經(jīng)過(guò)數(shù)控化改造后所能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)參數(shù)。然后根據(jù)機(jī)床要求設(shè)計(jì)出數(shù)控化改造的大概方案和路線。</p><p>　　第3章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控化改造</p><p>　　現(xiàn)代機(jī)械加工正朝著高速、高效和高精度的方向發(fā)展，于是機(jī)床主軸系統(tǒng)必須具有更高的轉(zhuǎn)速、更高的穩(wěn)定性和更大的無(wú)級(jí)調(diào)速范圍；不但在機(jī)械加工中能自動(dòng)變速，而且機(jī)床結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，噪聲要小

47、，動(dòng)態(tài)性能要好，可靠性要高。數(shù)控車床作為高度機(jī)電一體化設(shè)備，其傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般應(yīng)滿足如下的基本要求。</p><p>　　使用性能要求 首先應(yīng)滿足機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性，如機(jī)床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)。傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，操縱方便靈活、迅速、安全可靠。</p><p>　　傳遞動(dòng)力要求 主電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動(dòng)效率。</p><p&g

48、t;　　工作性能要求 主傳動(dòng)中所有零部件要有足夠的剛度、精度和抗振性，熱變形特性穩(wěn)定。</p><p>　　此外，還要求主軸傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于調(diào)整和維修；工藝性好，便于加工和裝配；防護(hù)性能好；使用壽命長(zhǎng)[3]。</p><p>　　3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式</p><p>　　機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)可分為分級(jí)變速傳動(dòng)和無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。與普通車床相比，數(shù)控車床的主傳動(dòng)

49、通常采用交、直流主軸調(diào)速電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍大，并可無(wú)級(jí)調(diào)速，使主軸箱結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。為了適應(yīng)不同的加工需要，數(shù)控車床的傳動(dòng)系統(tǒng)有以下三種傳動(dòng)方式。</p><p>　　由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 主軸電動(dòng)機(jī)與主軸通過(guò)聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　2.采用定比傳動(dòng) 主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)定比傳動(dòng)傳遞給主軸，定比傳動(dòng)可采用帶傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)。</p><

50、;p>　　3.采用分檔變速傳動(dòng) 分檔變速傳動(dòng)主要是為了解決主軸電動(dòng)機(jī)的功率特性和機(jī)床主軸功率特性的匹配。</p><p>　　定比傳動(dòng)直接擴(kuò)大了直接驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用范圍，即在一定程度上滿足了主軸功率與轉(zhuǎn)矩的要求，同時(shí)由于帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)噪聲小、振動(dòng)小的特點(diǎn)，所以主傳動(dòng)方式選擇定比傳動(dòng)方式，采用同步帶輪傳動(dòng)</p><p>　　3.2 主軸驅(qū)動(dòng)與控制</p><p&

51、gt;　　數(shù)控車床的主軸驅(qū)動(dòng)單元是車床的核心部件之一。在加工過(guò)程中，主軸驅(qū)動(dòng)為了維持恒定、最優(yōu)的切削速度，必須相應(yīng)于切削半徑的變化連續(xù)的調(diào)速，以確保加工的穩(wěn)定性和較高的生產(chǎn)率。當(dāng)加工部件的切削內(nèi)外半徑相差很大時(shí)，主軸速度變化將達(dá)到幾倍，甚至幾十倍。不難看出，主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)有很大的差別，它不但要求較高的速度精度、動(dòng)態(tài)剛度，而且要求連續(xù)輸出的高轉(zhuǎn)矩的能力和非常寬的恒功率運(yùn)行范圍</p><p>　　隨著數(shù)控技術(shù)的

52、不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的主軸驅(qū)動(dòng)已經(jīng)不能滿足要求。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床對(duì)主傳動(dòng)提出了更高的要求。</p><p>　　1.主傳動(dòng)要有較寬的調(diào)速范圍，以保證切削時(shí)選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)效率、加工精度和表面質(zhì)量。</p><p>　　2.為改善主軸的動(dòng)態(tài)性能，需要主傳動(dòng)有較大的無(wú)級(jí)調(diào)速范圍。</p><p>　　3.要求主軸在整個(gè)速度范圍內(nèi)均能提供切削所需功率，并盡可能

53、在全速范圍內(nèi)提供主軸電動(dòng)機(jī)的最大功率，即恒功率范圍要寬。</p><p>　　4.為滿足數(shù)控車床的螺紋切削功能，要切主軸與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制；在車削中心上，還要求主軸具有旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸和高精度的角度分度控制功能。</p><p>　　3.3 主軸電動(dòng)機(jī) </p><p>　　過(guò)去數(shù)控機(jī)床多采用晶閘管主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但由于直流電動(dòng)機(jī)受機(jī)械換向的影響，其使用和維護(hù)都比較麻煩

54、，并且其恒功率調(diào)速范圍小。與直流電動(dòng)機(jī)相比，交流電動(dòng)機(jī)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　無(wú)電刷和換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低</p><p>　　定子繞組散熱比較方便</p><p>　　慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性</p><p>　　適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)</p><p>　　同功率下有較小的體積

55、和重量</p><p>　　由于數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)不需要很高的動(dòng)態(tài)性能和調(diào)速范圍，主軸驅(qū)動(dòng)一般選籠式異步電動(dòng)機(jī)?；\式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便宜、可靠，配上矢量變換控制的主軸驅(qū)動(dòng)裝置，完全可滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求。</p><p>　　參考車床數(shù)控化改造后要達(dá)到的技術(shù)參數(shù)，主軸電動(dòng)機(jī)可以選擇博美特</p><p>　　SM 150-27020LFB交流伺服電動(dòng)機(jī)，以下

56、是該型電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)：</p><p>　　功率（kw） 5.5 </p><p>　　額定轉(zhuǎn)矩 （N.M） 27 </p><p>　　額定轉(zhuǎn)速 （Rpm） 2000 </p><p>　　額定電流（A） 20.5 </p><p&g

57、t;　　轉(zhuǎn)子慣量 （kg.） </p><p><b>　　3.4 主軸組件</b></p><p>　　3.4.1 主軸組件的性能要求</p><p>　　主軸組件式機(jī)床主要部件之一。由于主軸組件直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍又很大，因而數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量很大程度上靠它保證。因此，數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)主軸組將提出了很高的要求。主軸組件的性能要

58、求包括以下幾個(gè)方面:</p><p>　　1.精度 主軸組件的精度包括旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動(dòng)精度。</p><p>　　2.靜態(tài)剛度 指受外力時(shí)主軸組件抵抗變形的能力，又分為抗彎可抗扭兩種剛度。</p><p>　　3.抗振性 抗振性包括抵抗受迫振動(dòng)的能力和抵抗自激振動(dòng)的能力。</p><p>　　4.熱穩(wěn)定性 主軸組件在轉(zhuǎn)動(dòng)中，溫升過(guò)高會(huì)引起

59、兩方面的不良后果：一是主軸組件和箱體因熱膨脹而變形；其次是軸承等元件會(huì)因溫度過(guò)高而改變已經(jīng)調(diào)好的間隙和破壞正常的潤(rùn)滑條件。</p><p>　　5.耐磨性 主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便能長(zhǎng)期保持精度[3]。</p><p><b>　　3.4.2 主軸</b></p><p>　　主軸是主軸組件的重要組成部分。它的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸、制造精度、

60、材料及熱處理，對(duì)主軸組件的工作性能都有很大的影響。</p><p>　　主軸的結(jié)構(gòu)形狀 主軸的結(jié)構(gòu)形狀主要取決于軸上安裝的零件、軸承、傳動(dòng)件、夾具等的類型、數(shù)目、位置、安裝定位方式等，也考慮其工藝性要求。</p><p>　　主軸材料和熱處理 選擇主軸材料與熱處理的方法，主要依據(jù)主軸部件的工作條件及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即應(yīng)滿足主軸對(duì)剛度、強(qiáng)度、耐磨性、精度等方面的具體要求。</p>

61、<p>　　主軸主要精度指標(biāo) 主軸的精度直接影響到主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度。</p><p>　　3.4.3 主軸軸承</p><p>　　主軸軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整和潤(rùn)滑都直接影響了主軸組件的工作性能。</p><p>　　主軸軸承的選用，主要是依據(jù)主軸部件的工作要求，如傳遞功率的大小、速度范圍、工作精度，并

62、考慮制造條件及其他經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，數(shù)控車床的主軸軸承可采用滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承摩擦阻力小，可以預(yù)緊，潤(rùn)滑維護(hù)簡(jiǎn)單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動(dòng)范圍內(nèi)穩(wěn)定的工作。</p><p>　　數(shù)控車床的主軸多采用兩支承形式。兩支承主軸的配置形式包括主軸軸承的類型、組合以及布置，主要根據(jù)對(duì)所設(shè)計(jì)主軸組件在轉(zhuǎn)速、承載能力、剛度以及精度等方面的要求來(lái)選擇。</p><p>　　3.4.4 主軸組件

63、的計(jì)算</p><p>　　主軸的主要尺寸參數(shù)包括:主軸直徑、內(nèi)孔直徑、懸伸長(zhǎng)度和支撐跨距。</p><p>　　1.主軸的內(nèi)徑和外徑 主軸外徑越大，其剛度越大，但也使得軸承和軸上其他零件的尺寸相應(yīng)增大。軸承的直徑越大，同等級(jí)精度軸承的公差值也越大，要保證軸承的旋轉(zhuǎn)精度就越困難，同時(shí)極限轉(zhuǎn)速下降。主軸后端支承軸頸的直徑可視為0.7-0.8的前支承軸頸，前、后軸頸的差值越小則主軸的剛度越高

64、，工藝性能越好。</p><p>　　主軸內(nèi)徑的大小主要受主軸剛度的制約。主軸內(nèi)徑與外徑之比，小于0.3時(shí)，空心主軸的剛度幾乎與實(shí)心主軸的剛度相當(dāng)；等于0,5時(shí)，空心主軸的剛度為實(shí)心主軸剛度的90%；大于0.7時(shí)，空心主軸的剛度就急劇下降；一般可取其比值0.5左右。</p><p>　　主軸的前懸量 前懸量a是指主軸前支承反力的作用點(diǎn)到主軸前端受力作用點(diǎn)之間的距離。小的前懸量對(duì)提高主軸組件

65、的旋轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性有顯著效果。因此，確定前懸量a的原則是：在結(jié)構(gòu)許可的條件下，a值越小越好。</p><p>　　合理跨距的選擇 主軸的跨距對(duì)于主軸組件的性能有相當(dāng)大的影響。合理選擇跨距，是主軸組件設(shè)計(jì)中以一個(gè)相當(dāng)重要的問題。</p><p>　　主軸主要參數(shù)計(jì)算：主軸前端直徑D1,主軸內(nèi)徑d，主軸前懸量a和主軸跨距L。</p><p>　　由《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手

66、冊(cè)》查得：當(dāng)主軸電機(jī)功率為3-5.5kw是 D1=70-105。同時(shí)前軸頸直徑大于后軸頸直徑D2。車床D2=(0.7-0.9)D1。取D1=100mm 取D2=0.8D1 后端直徑D2=100x0.8=80mm。</p><p>　　主軸內(nèi)徑<0.7D 取d/D=0.6 d1=0.6D=60mm</p><p>　　參考《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》得：對(duì)于精密機(jī)床、自動(dòng)化車床用滾動(dòng)軸承支承

67、、適用高精度和普通精度要求。取去a/D1=0.6-1.5,取a/D1=0.8 a=80mm</p><p>　　如果a已定，則存在著一個(gè)最佳跨距L0。由《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》的圖8-23可得到η，KA/KB,L0/a之間的關(guān)系。</p><p>　　圖3-1 的計(jì)算線圖</p><p>　　公式： η=

68、 （3-1）</p><p>　　式中：I—主軸截面的平均慣性矩，N·mm；</p><p>　　E—主軸材料的彈性模量，N/ 。</p><p>　　I= （3-2）各種鋼材的E值均為N/。</p><p>　　主軸的前支承用雙列圓

69、柱滾子軸承 型號(hào)為NN3000K,后支承采用背靠背α=25的角接觸球軸承 型號(hào)為7000AC。</p><p>　　由《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得的估算公式為 =1700由于后支承剛度磁對(duì)主軸的剛度影響較小，估算時(shí)1.4-2計(jì)算。</p><p>　　=1700=1072627N/mm</p><p><b>　　===1.6</b></p&

70、gt;<p>　　取=1.4 由圖8-23得/a=4.2 =336mm</p><p>　　具體設(shè)計(jì)時(shí)，常由于結(jié)構(gòu)上的限制，實(shí)際,這樣就造成主軸部件的剛度損失，當(dāng)L/=0.7-1.5時(shí)，損失不大。所以取L=0.9=0.9mm，</p><p>　　所以主軸的合理跨距為300mm。</p><p>　　3.5 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) </p>&

71、lt;p>　　帶傳動(dòng)是機(jī)床傳動(dòng)的主要形式之一。隨著機(jī)床朝高精度和高速方向不斷發(fā)展，對(duì)帶輪也提出了更高的要求。帶傳動(dòng)的工作原理是利用帶與帶輪之間的摩擦力帶動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)。帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，不需潤(rùn)滑以及緩沖、吸震等特點(diǎn)。帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)路線</p><p><b>　　3.5.1 帶輪</b></

72、p><p>　　設(shè)計(jì)帶輪時(shí)，要避免鑄造或焊接時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力。帶輪質(zhì)量應(yīng)分布均勻，重量輕并便于制造。帶輪的面應(yīng)精加工，以減少膠帶的磨損。當(dāng)v>5m/s 時(shí)要進(jìn)行靜平衡，當(dāng)v>25m/s時(shí)要進(jìn)行動(dòng)平衡。帶輪材料應(yīng)采用鑄鐵、鑄鋼、鋼板、鋁合金、工程塑料等。當(dāng)用非金屬材料，如夾布膠水做材料時(shí)，它們有重量輕、與膠布的摩擦因數(shù)大的特點(diǎn)，但其強(qiáng)度較低，因此用于輕載、高速的場(chǎng)合。帶輪的設(shè)計(jì)路線如圖3-2所示。</

73、p><p>　　3.5.2 同步帶的選用與計(jì)算 </p><p>　　以下所用到的數(shù)據(jù)與公式都是參考《現(xiàn)代機(jī)床使用設(shè)計(jì)手冊(cè)》得到</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)功率由表3-2-41查得=1.6</p><p>　　=5.5x1.6=8.8kw （3-3）</p><p>　　（2）選定帶型和

74、節(jié)距 根據(jù)=8.8kw =3000r/min，由圖3-2確定為：</p><p>　　XH型 =22.225</p><p>　?。?）小帶輪的齒數(shù) </p><p>　　根據(jù)帶輪的型號(hào)XH型和帶輪的轉(zhuǎn)速 由表3-2-42查得帶輪的最小齒數(shù)為30 此處取=32。</p><p>　?。?）小帶輪的節(jié)圓直徑 </p>&l

75、t;p>　　===226.5 （3-4）</p><p><b>　?。?）大齒輪的齒數(shù)</b></p><p>　　===48 （3-5）</p><p>　?。?）大齒輪節(jié)圓直徑</p><p&g

76、t;　　==339.7 （3-6）</p><p><b>　?。?）帶速</b></p><p>　　===35.56m/s （3-7）</p><p><b>　?。?）初定軸間距</b></p><p&g

77、t;<b>　　取=800</b></p><p>　?。?）帶長(zhǎng)及其齒數(shù) </p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　帶長(zhǎng)型號(hào)為980的XH型帶輪，節(jié)線長(zhǎng)=2489.2mm 節(jié)線上的齒數(shù)為112。</p><p>　　（10）實(shí)際軸間間隙a：此結(jié)構(gòu)的軸間間隙可調(diào)</

78、p><p>　　mm （3-9）</p><p>　?。?1）小帶輪嚙合齒數(shù)</p><p><b>　　15 （3-10）</b></p><p>　?。?2）基本額定功率</p><p>　　= （3-11

79、）</p><p>　　由表3-2-34查得 =4050N m=1.484 kg/m。</p><p><b>　?。?3）所需帶寬</b></p><p>　　由表3-2-43查得 XH型帶輪的=101.6 =15 =1</p><p>　　51.42 （3-12）</p><p>

80、　　由表3-2-29查得，帶輪型號(hào)應(yīng)選代號(hào)為300的XH型帶，其中=76.2，</p><p>　　最終選擇同步帶的型號(hào)為980XH300。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對(duì)普通車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化改造，其中主軸的設(shè)計(jì)和主電機(jī)的選擇是最主要的部分。通過(guò)車床改造后需要達(dá)到的技術(shù)參數(shù)選擇合適的伺服電

81、機(jī)。介紹了主軸的工作條件和性能要求，從而設(shè)計(jì)出主軸的形狀和尺寸。 </p><p>　　第4章 進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控化改造</p><p>　　4.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成</p><p>　　數(shù)控車床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是通過(guò)伺服系統(tǒng)控制的，進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制了進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度、方向、精度、行程以及運(yùn)動(dòng)起止點(diǎn)。數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)是由私服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)裝置、位置檢測(cè)元件及位置調(diào)節(jié)器等

82、組成。</p><p>　　伺服驅(qū)動(dòng)裝置包括伺服電機(jī)及其控制單元。開環(huán)系統(tǒng)一般采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)一般采用交流伺服電動(dòng)機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。早期的數(shù)控機(jī)床多采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但由于直流電機(jī)存機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，從而產(chǎn)生了很多的問題，如電刷磨損后需要較多的維護(hù)，換向器出現(xiàn)運(yùn)行火花等，所以交流電動(dòng)機(jī)正逐漸取代直流電動(dòng)機(jī)作為進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)元件。微處理技術(shù)和電子半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展提高了交流伺

83、服系統(tǒng)的性能，使其更加廣泛的應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床。目前，交流伺服電動(dòng)機(jī)主要有籠式異步伺服電動(dòng)機(jī)和永磁式同步電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　位置檢測(cè)元件起著測(cè)量和反饋的作用。它發(fā)出的信號(hào)傳送給CNC從而構(gòu)成閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度很大程度上由位置檢測(cè)元件的精度控制。</p><p>　　機(jī)械傳動(dòng)裝置的作用是連接電機(jī)和工作臺(tái)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，包括減速裝置和滾

84、珠絲桿副等裝置。</p><p>　　4.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求</p><p>　　進(jìn)給系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其性能將直接影響機(jī)械加工的零件加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。同其他數(shù)控機(jī)床一樣，數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)同樣有精度、快速性和穩(wěn)定性的要求</p><p>　　1. 高精度 由于數(shù)控車床是按預(yù)設(shè)的程序進(jìn)行加工，所以不能進(jìn)行手動(dòng)補(bǔ)償。這就要求數(shù)控車床具有較高的

85、定位精度和輪廓加工精度，從而才能保證加工質(zhì)量的一致性和復(fù)雜曲線、曲面的加工精度?，F(xiàn)代數(shù)控車床位移精度一般為0.01-0.001mm，有的甚至高達(dá)0.1um 。</p><p>　　2. 快速響應(yīng)、穩(wěn)定性好 由于數(shù)控系統(tǒng)存在位置滯后，實(shí)際位移比指令位移滯后，所以存在著位置誤差。當(dāng)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行頻繁的變速和變向移動(dòng)時(shí)，位置誤差會(huì)不斷積累，從而會(huì)造成加工尺寸和形狀的誤差，降低加工精度。提高進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，可以減小

86、位置誤差，也是最根本的方法。這就對(duì)伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有兩方面的要求：一是當(dāng)進(jìn)給系統(tǒng)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)、變速時(shí)，要求有很大的加速度，從而盡可能的縮短過(guò)程時(shí)間；二是當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，過(guò)渡過(guò)程前沿要陡，回復(fù)時(shí)間要短，且無(wú)振蕩。</p><p>　　3. 調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍是指最高進(jìn)給速度和最低進(jìn)給速度之比。由于加工條件的不同，為了保證在任何情況下都得到最佳切削條件，就要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)必須有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。目前數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度

87、范圍是：脈沖當(dāng)量為1um時(shí)，進(jìn)給速度在0-240m/min時(shí)連續(xù)可調(diào)。</p><p>　　此外，機(jī)床大多是在低速時(shí)進(jìn)行重切削，因此要求低速時(shí)進(jìn)給系統(tǒng)有大的轉(zhuǎn)矩輸出。</p><p>　　4.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制方式</p><p>　　根據(jù)進(jìn)給伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)方式的不同，可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。</p><p>　　1. 開環(huán)

88、控制 采用開環(huán)控制的進(jìn)給系統(tǒng)一般采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要檢測(cè)元件和反饋電路。開環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉。由于缺少檢測(cè)裝置，不能對(duì)進(jìn)給位移和進(jìn)行反饋，進(jìn)給過(guò)程中的摩擦、慣量、間隙會(huì)影響進(jìn)給精度，從而降低零件加工質(zhì)量。開環(huán)控制的進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度一般在mm之間。開環(huán)控制的進(jìn)給系統(tǒng)一般進(jìn)用于精度不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。</p><p>　　2. 閉環(huán)控制 閉環(huán)控制的進(jìn)給系統(tǒng)常用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)檢測(cè)元件

89、的安裝位置，閉環(huán)控制又可以分為全閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。</p><p>　　半閉環(huán)控制系統(tǒng)的檢測(cè)元件沒有安裝在輸出軸上，它直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和軸角位置。半閉環(huán)系統(tǒng)并沒有將整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)包含其中，使得諸如絲桿螺距誤差、受載后絲桿、軸變形等問題不能被檢測(cè)到，從而影響一定的精度。</p><p>　　全閉環(huán)系統(tǒng)將檢測(cè)元件安裝在工作臺(tái)或者其他執(zhí)行元件上，于是將機(jī)械傳動(dòng)部件包括在整個(gè)位置環(huán)之內(nèi)。由于反

90、饋回路內(nèi)包含了傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、誤差和間隙，因此最終進(jìn)給系統(tǒng)所能達(dá)到的精度僅僅取決于檢測(cè)元件的測(cè)量誤差。雖然從理論上講，全閉環(huán)系統(tǒng)的控制是最理想的，但由于存在成本、工作條件、熱變形等問題，使得伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。</p><p>　　4.4 進(jìn)給系統(tǒng)改造</p><p>　　X軸進(jìn)給系統(tǒng)的改造與Z軸的進(jìn)給系統(tǒng)的改造相同，所以以下只以X軸進(jìn)給系統(tǒng)的改造為例。</p><p

91、>　　4.4.1 電動(dòng)機(jī)的選用</p><p>　　由于進(jìn)給系統(tǒng)需要很高的動(dòng)態(tài)性能和調(diào)速范圍，所以進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用永磁式同步電動(dòng)機(jī)。初選120MB075-2CE6E型交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。改型電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如下：</p><p>　　1200 r/min 1000r/min</p><p>　　電機(jī)通過(guò)齒輪減速裝置與滾珠絲杠連接，減速比為2:1。&l

92、t;/p><p>　　4.4.2 滾珠絲桿的計(jì)算與選擇</p><p>　　絲桿作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它的精度、靈敏度、穩(wěn)定性直接影響了輪廓加工精度和定位精度。從系統(tǒng)控制的角度分析，其中兩個(gè)因素起著決定作用：一是絲桿的剛度和慣量，它直接影響進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度；二是絲桿的精度和傳動(dòng)系統(tǒng)的非線性，它直接影響系統(tǒng)的位置精度和輪廓加工精度，在閉環(huán)系統(tǒng)中還影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><

93、p>　　滾珠絲桿副的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在具有螺旋槽的絲桿螺母間裝有滾珠作為中間傳動(dòng)元件，以減小摩擦。與普通的絲桿螺母副相比，滾珠絲桿螺母副具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　1.摩擦損失小，傳動(dòng)效率高 。 </p><p>　　2.運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)無(wú)爬行。</p><p>　　3.可以預(yù)緊，反向時(shí)無(wú)空程。</p><p>　　4.磨損小，精度保持性好，

94、使用壽命長(zhǎng)。</p><p>　　5.具有運(yùn)動(dòng)的可塑性。</p><p>　　6.不能自鎖，特別是用作垂直安裝的滾珠絲桿傳動(dòng)，會(huì)因部件的自重而自動(dòng)下降，當(dāng)向下驅(qū)動(dòng)部件時(shí)，由于部件的自重和慣性，當(dāng)傳動(dòng)切斷時(shí)，不能立即停止運(yùn)動(dòng)，必須增加制動(dòng)裝置。</p><p>　　7.結(jié)構(gòu)復(fù)雜，絲桿、螺母等元件的加工精度和表面質(zhì)量要求高，故制造成本高。</p><

95、p>　　圖4-1 滾珠絲桿設(shè)計(jì)路線</p><p>　　圖4-2 滾珠絲桿計(jì)算公式</p><p>　　圖4-3 滾珠絲桿計(jì)算公式</p><p>　　以下有關(guān)滾珠絲桿的計(jì)算公式與數(shù)據(jù)都是由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中查得。設(shè)計(jì)路線和計(jì)算公式如圖4-1、4-2、4-3所示。</p><p><b>　　滾珠絲桿副的導(dǎo)程</b>

96、;</p><p>　　由表12-1-40中公式（1）得</p><p>　　mm （4-1）</p><p>　　確定當(dāng)量動(dòng)載荷與當(dāng)量轉(zhuǎn)速</p><p>　　由表查得最大軸向力=3200N 由表12-1-40中公式（3）得 </p><p>　　=

97、（4-2）</p><p>　　由表12-1-40中公式（4）得</p><p>　　= （4-3）</p><p><b>　　確定預(yù)期額定動(dòng)載荷</b></p><p>　　由表12-1-40中公式（5）得</p><p><b>　?。?-4）</b>&l

98、t;/p><p>　　—— 滾珠絲桿副在可靠性為90%時(shí)的額定壽命，由表12-1-45中得 </p><p><b>　　=2000h。</b></p><p><b>　　—— 絲桿當(dāng)量轉(zhuǎn)速</b></p><p>　　—— 絲桿性質(zhì)系數(shù) 表12-1-43中查得 =1.2-1.5</

99、p><p>　　—— 精度系數(shù) 表12-1-41中查得 </p><p>　　—— 可靠性系數(shù) 表12-1-42</p><p>　　取 =1.3 =0.9 =1.0 計(jì)算得</p><p><b>　　=</b></p><p>　　確定允許的最小螺紋底徑</p><p>

100、;　　滾珠絲桿允許的最大軸變形</p><p>　　由表12-1-40中公式（8）得 =（）重復(fù)定位精度</p><p>　　=（）7=2.3-1.75um</p><p>　　取最小值=1.75um</p><p><b>　　估算滾珠絲桿底徑</b></p><p>　　由表12-1-40中公

101、式（10）（11）得 = </p><p>　　w—— 導(dǎo)軌面正壓力 </p><p><b>　　——導(dǎo)軌靜摩擦因數(shù)</b></p><p>　　——支承方式系數(shù)，一端固定另一端自由時(shí)為0.078</p><p>　　L—— 滾珠絲桿兩軸承支點(diǎn)間距離，常?。?.1-1.2）行程+（10-14）。</p&g

102、t;<p>　　=0.2500=100N </p><p>　　L=1.1220+125=302mm 取L=300mm </p><p><b>　　= </b></p><p>　　確定滾珠絲桿的規(guī)格代號(hào)</p><p>　　選擇內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)法蘭式，墊片預(yù)緊FFZD型3205-5，=3.5mm，=28.

103、9>10.2 =18.1KN>17.085 =52.4 L=108mm R=1346</p><p>　　絲桿的支承方式選擇一端固定，一端自由的支承方式，采用一對(duì)760304DF角接觸球軸承 =32mm 支承長(zhǎng)度為58mm。</p><p><b>　　校驗(yàn)值</b></p><p>　　由表12-1-40中公式（12）得

104、 </p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　——節(jié)圓直徑，</b></p><p>　　——滾珠絲桿副最高轉(zhuǎn)速，r/min</p><p>　　=19440<70000</p><p><b>　　合格</b>&

105、lt;/p><p>　　確定滾珠絲桿的預(yù)緊力</p><p>　　==3200=1067 N 取 =1000 N.</p><p><b>　　計(jì)算行程補(bǔ)償值C</b></p><p>　　由表12-1-40中公式（14） 得</p><p>　　C=11.8

106、 （4-6）</p><p>　　——溫度變化值，2-3</p><p>　　——滾珠絲桿副有效行程，取 行程+（8-14）</p><p>　　C=11.82.5 取C=8.5um</p><p><b>　　計(jì)算預(yù)緊力</b></p><p>　　由表12-1-40中公式（

107、15）得</p><p>　　=1.95=1.95=4071 N （4-7）</p><p><b>　　滾珠絲桿副臨界轉(zhuǎn)速</b></p><p>　　由12-1-40中公式（16）得</p><p><b>　?。?-8）</b></p><

108、p>　　——支承系數(shù)，見表12-1-47</p><p>　　—— 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，見表12-1-47</p><p>　　取=3.4 ， ==260mm</p><p><b>　　合格 </b></p><p>　　滾珠絲桿壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算</p><p>　　由于軸向最大載荷320

109、0N小于絲桿預(yù)拉伸力=4071N，所以絲桿不會(huì)受壓失穩(wěn)。</p><p>　　由表12-1-40中公式（19）驗(yàn)算抗拉強(qiáng)度</p><p>　　遠(yuǎn)低于鋼材許用拉伸力。</p><p><b>　　系統(tǒng)剛度驗(yàn)算</b></p><p>　　由表12-1-40中公式（20）得</p><p><

110、b>　?。?-9）</b></p><p>　　——滾珠絲桿的拉壓剛度，。</p><p>　　——軸承剛度，，見表12-1-46。</p><p>　　滾珠絲桿的拉壓剛度是隨螺母在絲桿上的位置為變化的，最大值在端部（螺母至支承距離最大時(shí)，即），螺母處于支承中部時(shí)（）最小。</p><p>　　==3445

111、 （4-10）</p><p><b>　　==918</b></p><p>　　由軸承樣本=3.5,Z=17,=60 得=550.</p><p>　　滾珠絲桿和滾道的接觸剛度</p><p><b>　　==513</b></p><p><b

112、>　　取最小值168</b></p><p><b>　　傳動(dòng)系統(tǒng)最小剛度</b></p><p>　　=2.8 （4-11）</p><p>　　168>22.8 滿足重復(fù)定位要求。</p><p><b>　　傳動(dòng)系統(tǒng)的定位誤差</b>&

113、lt;/p><p><b>　　（4-12）</b></p><p>　　任意300mm內(nèi)行程變動(dòng)量對(duì)半閉環(huán)系統(tǒng)而言</p><p>　　=0.815-2.04=9.96um</p><p>　　選絲桿副為2級(jí)精度，=8um<9.96um，可用。</p><p>　　最終確定絲桿的規(guī)格代號(hào)：FF

114、ZD型，=32，=5，P類2級(jí)精度，標(biāo)記為FFZD3205-5-P2。</p><p>　　4.4.3 齒輪傳動(dòng)消隙機(jī)構(gòu)</p><p>　　改造后的車床通過(guò)齒輪傳動(dòng)副來(lái)達(dá)到以一定的傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)矩要求。有齒輪齒面不能達(dá)到理想的要求，存在著一定的誤差，于是嚙合齒輪總應(yīng)有一定的齒側(cè)間隙才能正常工作。</p><p>　　(1) 剛性調(diào)整法 剛性調(diào)整法的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單

115、，傳動(dòng)剛度好，能傳遞較大的動(dòng)力，但是同樣有不足，當(dāng)齒輪磨損后齒側(cè)間隙不能自動(dòng)補(bǔ)償，為了不影響傳動(dòng)的靈活性，因此加工時(shí)對(duì)齒輪的厚度及齒距公差要求較嚴(yán)。剛性調(diào)整法又可以分為偏心軸套調(diào)整法和軸向墊片調(diào)整法。</p><p>　?。?） 柔性調(diào)整法 柔性調(diào)整法采用調(diào)整彈簧力的方法消除齒側(cè)間隙，因而調(diào)整之后齒側(cè)間隙仍可自動(dòng)，補(bǔ)償，在齒輪厚度和周節(jié)有變化的情況下，也能保持無(wú)間隙嚙合。不足的是這種調(diào)整法結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，傳動(dòng)剛度低

116、，傳動(dòng)平穩(wěn)性也差。柔性調(diào)整法可分為軸向壓簧調(diào)整法、周向彈簧調(diào)整法和雙齒輪傳動(dòng)調(diào)整法。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對(duì)車床的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化改造，從而達(dá)到所設(shè)定的要求。本章介紹了進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制方式并且選擇了合適的控制方式。選取合適的伺服電機(jī)。滾珠絲桿的選用是本章最主要的內(nèi)容，通過(guò)手冊(cè)查得的公式和數(shù)據(jù)選取了合適的滾珠絲杠