CA6140数控车床进给伺服系统机械部分设计.doc

第1章 绪 论 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。1.1 数控机床的产生数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。1.2 数控机床的发展自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控：1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。1.3 我国数控机床的发展概况我国从1958年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始，研制晶体管数控系统，直到60年代末和70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究。1972-1979年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从80年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航空航天部706所研制出MNC864数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。1.4 数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的SIEMENS和美国的A-B公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位和32位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达0.1微米，高速进给可达100m/min,控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺。在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。1.5 数控机床进给系统改造的意义 进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。因此，在设计传动结构，选用传动零件时应充分注意减小摩擦阻力，提高传动精度和刚度，消除传动间隙和减小运动惯量。 数控机床的进给运动采用无级调速的伺服驱动方式，伺服电机的动力和运动只需经过由最多一两级齿轮或带轮传动副和滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副组成的传动系统传动给工作台等运动执行部件。传动系统的齿轮副或带轮副的作用主要是通过降速来匹配进给系统的惯量和获得要求的输出机械特性，对开环系统，还起匹配所需的脉冲当量的作用。近年来，由于伺服电机及其控制单元性能的提高，许多数控机床的进给传动系统去掉了降速齿轮副，直接将伺服电机与滚珠丝杠连接。滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副的作用是实现旋转到直线的运动形式的转换。 一般的生产企业或者工科类职业学校，一般都不乏普通机床，而这些普通机床，已经满足不了产品不断改型或人才培养的需要，因此，对数控设备的需求就凸显出来了，为了减小投资，充分利用现有的机床设备，可对普通机床进行改造，以下将针对CA6140车床的进给系统，阐述将其改造成性能更好的数控车床。第2章 CA6140车床进给伺服系统改造方案的拟订2.1总体方案确定 图2-1 CA6140普通车床数控化改造示意图CA6140车床数控改造方案本文改造后的结构是一种非常典型卧式车床的数控改造结构，改造时拆除原机床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱、挂轮箱的挂轮、原手动刀架及手柄等部件，用滚珠丝杠替换原有普通丝杠、用电动刀架替换原有的普通刀架。纵向和横向进给采用步进电动机及减速器驱动，横向步进电动机及减速器装置安装在机床床鞍的后部，纵向的步进电动机减速器装置安装在机床的右端。 由于被改装的机床本身的机械结构不是按数控机床的要求设计的，其精度和刚度等性能指标往往不能满足数控机床的要求，因此将普通机床改造为全功能的数控机床，一味追求先进指标则会得不偿失，所以确定总体方案的原则应当是在满足生产需要的前提下，对原机床尽可能减少机械部分的改动量，选择简单易用的数控系统，达到合理的性价比。本次改造设计要求就是根据这一原则提出的。根据设计要求、依据设计参数及机床数控改造的理解，进给系统总体方案确定如下：利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，驱动原件采用直流步进电机，传动系统采用滚珠丝杆；步进电机一级齿轮减速后，带动滚珠丝杆转动，从而实现进给运动。示意图如图2-2所示： 图2-2 进给系统设计总方案图2.2 CA6140车床的设计参数根据型普通原始数据及数控改造设计要求，确定主要如表2-1所示：表2-1最大加工直径车床身上：400mm车床鞍上：210mm最大加工长度：1000mm快进速度纵向2.4m/min横向1.2m/min最大切削进给速度纵向0.6m/min横向0.3m/min脉冲当量纵向0.01mm/step横向0.005mm/step脉冲分配方式逐点比较法控制坐标数2机床定位精度0.015溜板及刀架重力纵向：800N横向：600N自动生降速性能：有起动加速时间：30ms主电机功率：7.5Kw 第3章 数控系统的选择3.1数控系统的选择3.1.1数控系统的选择数控机床的价格主要由数控系统来决定，数控系统从功能上可分为低中高三档，中高档系统（如Fanuc、LBNC2T型、FAGOR、SIEMENS、华中HNC2T/2M等）功能齐全，性能优良，但价格偏高。结合实际，从实用角度出发，我选择了华中HNC21T型数控车床系统，该系统采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，配置7.5彩色液晶显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式及软驱、DNC、以太网等程序交换功能，具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用可靠性高的特点，编程格式符合ISO国际代码标准，两轴动态坐标，具有自动加工、自动换刀、车螺纹和MDI等功能，是教学、生产两用型的数控系统。3.1.2改造部分对卧式车床进行数控化改造,主要是将纵向和横向进给系统改造为用数控装置控制的、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。由于加工过程中的切削参数、切削次序和刀具都会按程序自动进行调节和更换，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。3.1.3设计要求总体方案设计应考虑数控系统的运动方式、伺服系统的类型、数控系统的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。在制定总体方案时，要满足下列要求： 1）卧式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，数控系统选择连续控制系统。 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，进给系统采用步进电动机开环控制系统。 3）在卧室车床最大加工尺寸、加工精度、控制速度，以及经济性等条件下，经济型数控车床一般采用经济型数控系统。 4）重新设计自动回转刀架及其控制电路。 5）纵向和横向几给是两套独立的传动链，它们由步进电动机、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。 6）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性要求，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，消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。3.2 数控系统介绍3.2.1操作台介绍华中“世纪星”HNC-21T是一基于嵌入式工业PC的开放式数控系统，配备高性能32位微处理器、内装式PLC及彩色LCD显示器。采用国际标准G代码编程，与各种流行的CAD/CAM自动编程系统兼容。 1）、操作台结构HNC-21T车床数控装置操作台为标准固定结构，外形尺寸为420310110毫米 （WHD），如图3-1所示。图3-1 NC-21T车床数控装置操作台2）、 显示器 操作台的左上部为7.5彩色液晶显示器，分辨率为640480。3）、 NC键盘 NC键盘包括精简型MDI键盘和F1F10十个功能键。 标准化的字母数字式键盘的大部分键具有上档键功能，当“UPPER”键有效时，指示灯亮，输入的是上档键。 NC键盘用于零件程序的编制、参数输入、MDI及系统管理操作等。4）、 机床控制面板 标准机床控制面板的大部分按键（除“急停”按钮外）位于操作台的下部。机床控制面板用于直接控制机床的动作或加工过程。 3.2.2软件操作界面HNC-21T的软件操作界面如图3-2所示。其界面由如下几个部分组成：图3-2 NC-21T的软件操作界面1、 图形显示窗口 2、 菜单命令条 3、 运行程序索引 4、 选定坐标系下的坐标值，坐标系可在机床坐标系/工件坐标系/相对坐标系之间切换；显示值可在指令位置/实际位置/剩余进给/跟踪误差/负载电流/补偿值之间切换。 5、 工件坐标零点在机床坐标系下的坐标 6、 辅助功能M、S、T；当前刀位CT、选择刀位ST 7、 当前加工程序行 8、 当前加工方式、系统运行状态及当前时间 9、 当前坐标、剩余进给 10、直径/半径编程、公制/英制编程、每分钟进给/每转进给、快速修调、进给修调、主轴修调倍率第4章 机床进给伺服系统机械部分的设计和计算4.1进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案4.1.1纵向进给机械结构改造方案拆除原机床的进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱和滚珠丝杠螺母副。为了提高支承刚度，采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式。齿轮间隙采用双薄片调隙方式。利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杆仍安置在原来的位置，两端仍采用原固定方式。这样可减少改装工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，且外径比原先的大，从而使纵向进给整体刚度只可能增大。纵向进给机构都采用了一级齿轮减速。双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙。因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载大时，弹簧弹力显小，起不到消除间隙之目的；当负载小时，弹簧弹力又显大，则加速齿轮的磨损。因此，采用定期人工调整、螺钉紧固的办法消除间隙。4.1.2横向进给机械结构改造方案拆除原中拖板丝杆，安装滚珠丝杆副，为提高横向进给系统刚度，支承方式采用两端装止推轴承。步进电机、齿轮箱安装于机床后侧，为了使减速机构不影响走刀，同时消除传动过程的冲击，减速机构采用二级传动，从动轮采用双薄片错位消除间隙。4.2进给伺服机构机械部分的设计计算4.2.1进择脉冲当量根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向:0.01mm/步，横向:0.005mm/步(半径)。4.2.2计算切削力（1）纵车外圆主切削力Fz(N)按经验公式估算:Fz=0.67Dmax1.5 （4-1） =0.67 x 4001.5 =5360按切削力各分力比例: Fz:Fx:Fy=l:0.25:0.4 Fx = 5360 x 0.25 = 1340Fy = 5360 x 0.4 = 2144（2）横切端面 主切削力Fz(N)可取纵切的1/2: 此时走刀抗力为Fy(N)，吃刀抗力为Fx(N)。仍按上述比例粗略计算: Fz:Fy:Fx=1:0.25:0.4 Fy=2680 x 0.25 = 670 Fx=2680 x 0.4 = 10724.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d0（丝杠外径d）、导程L0、滚珠的工作圈数j、列数K、精度等级等。滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。我们在此选用螺旋槽式外循环：在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，同螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。在通孔口设有挡珠器，引导滚珠进入通孔。挡珠器用圆钢弯成弧形杆，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的优点是：工艺简单，螺母外径尺寸较小。缺点是：螺旋槽同通孔不易连接准确，挡珠器钢性差、耐磨性差。滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。4.3.1纵向进给丝杠（1）计算进给率引力Fm(N)纵向进给为综合型导轨： 式中： K考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K1.15; -滑动导轨摩擦系数:0.15-0.18; G -溜板及刀架重力: G = 800N。（2） 计算最大动负载c: （4-2） 式中:L0 滚珠丝杠导程，初选L0=6mm;vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/21/3），此处vs0.6m/min；fw运转系数，按一般运转取fw1.21.5；L寿命、以106转为1单位。（3）滚珠丝杠螺母副的选型和校核可采用外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级选3级。传动效率计算 （4-3）式中：螺旋升角，W1L4O0b=2044摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004（4）刚度验算一般滚珠丝杠比较细长，它的刚度应该给与充分重视。先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图。最大牵引力为2530N。支承间距L=15OOmm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。图4-1 纵向进给系统计算简图 （4.1）丝杠的拉伸或压缩变形量1根据Pm=2530N,Do=40mm, 查资料可查出L/L=l.2lO-5，可算出:1=L/L1500=1.210-51500=1.810-2(mm)由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量1 (mm)为: （4.2）滚珠与螺纹滚道间接触变形2查资料W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量Q 因进行了预紧， (4.3)、支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3采用8107型推力球轴承，d1=35mm，滚动体直径dQ=6.35mm，滚动体数量z=18,注意，此公式中Fm单位应为kgf因施加预紧力，故根据以上计算：定位精度（5）稳定性校核滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。4.3.2横向进给丝杠（1）计算进给牵引力Fm:横向导轨为燕尾形，计算如下:（2）计算最大动负载c（3）选择滚珠丝杠螺母副查资料，W1L20051列2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额定动载荷为8800N，可满足要求，选定精度为3级。（4）传动效率计算（5）刚度验算横向进给丝杠支承方式如图4-2所示，最大牵引力为2425N，支承间距L=450mm，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。 图4-2 计算如下：(5.1)、丝杠的拉伸或压缩变形量1 (mm)查图4-3，根据Fm2023N，D。=2Omm，查出L /L=5lO-5，可算出图4-3 横向进给系统计算简图 (5.2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形2查资料：因进行了预紧2=1/2Q=0.5*8.5=4.25m(5.3)、支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3采用8102推力球轴承，dQ=4.763,z=12，d=l5mm考虑到进行了预紧，故综合以上几项变形量之和: 显然此变形量已大于定位精度的要求，应该采取相应的措施修改设计，因横向溜板空间限制，不宜再加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小最大牵引力。重新计算如下:从资料查出，当Fm=1155N时，L/L=2.4lO-52和3不变，则1230.01080.00430.00470.0198mm定位精度为0.lmm，故此变形量仍不能满足，如果将滚珠丝杠再经过预拉伸，刚度还可提高四倍，则变形量可控制在要求的范围之内。从上面计算过程可以看出，设计的过程要经过反复修改参数，反复计算才能达到满意的结果。（6）稳定性校核计算临界负载其FK(N)式中： E材料弹性模量，钢:E20.61O6N/cm2I截面惯性矩（cm4）丝杠：，di为丝杠内径； （4-4）L丝杠两支承端距离 (cm)；fZ-一丝杠支承方式系数，从表4-13中查出，一端固定，一端简支fZ =2.00（一般nk=2.54）此滚珠丝杠不会产生失稳。4.4纵向及横向滚珠丝杠副几何参数其几何参数如表4-1所示:表4-1名称符号公式公称直径3520导程65接触角37433钢球直径()3.9693.175滚道法面半径2.0641.651偏心距0.0560.045螺纹升角37433螺杆外径3419.4螺杆内径30.98416.78螺杆纹接触直径31.25816.835螺母螺纹直径39.36523.2124.5齿轮传动比计算4.5.1纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量p0.01滚珠丝杠导程L0=6mm，初选步进电机步距角0.750。可计算出传动比i可选定齿轮齿数为， 或4.5.2横向进给齿轮箱传动比计算已确定横向进给脉冲当量pO.005，滚珠丝杠导程L05mm，初选步进电机步距角0.750可计算传动比i: 考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可采用两级齿轮降速:因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。相关参数如表4-2所示：表4-2齿数324024402025分度圆648048804050齿顶圆688452844454齿根圆597543753545齿宽（610）m202020202020中心距726445第五章 CA6140车床进给部分电机的选择5.1纵向进给步进电机计算5.1.1等效传动惯量计算方法计算如下表示。传动系统折算到电机轴上的总传动惯量J(kgcm2)可有下式计算：J=Jm+J1+（Z1Z2）2(J2+Js)+Gg(L02)2 （5-1）式中：Jm步进电机转子转动惯量(kgcm2)J1，J2齿轮Z1、Z2的转动惯量(kgcm2)Js滚珠丝杠传动惯量(kgcm2)参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量Jm=10(kgcm2)J1=0.78103d14L1=0.781036.422=2.6 kgcm2J2=0.78103d24L2=0.78103822=6.39 kgcm2Js=0.7810344150=29.952 kgcm2G=800N代入上式： J=Jm+J1+（Z1Z2）2(J2+Js)+Gg(L02)2 =10+2.62+(3240)2(6.39+29.592)+8009.8(0.62)2=36.355 kgcm2考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。JmJ=1036.355=0.275基本满足惯量匹配的要求。5.1.2电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面分别按各阶段计算：A.快速空载启动力矩M起在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： M起=Mamax+Mf+Ma Mamax=J= Jnnax102/(60ta/2) = J2nmax102/(60ta)nmax=maxbp360将前面数据代入，式中各符号意义同前。 nmax=maxbp360=24000.75(0.01360)=500r/min 启动加速时间ta=30ms Mamax=J2nmax102/(60ta)=36.3552500102/(600.03)=634.5Ncm 折算到电机轴上的摩擦力距Mf： Mf=FOL02i=f(Pz+G)L0(2Z2Z1) =0.16(5360+800)0.6(20.81.25)=94 Ncm 附加摩擦力距M0 MO=FPOL0(102)/2i=13FtL0(102)(2Z2Z1) =1325300.6(10.92)( 20.81.25) =805.30.19=15.3Ncm上述三项合计： M起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8NcmB快速移动时所需力矩M快。M快=Mf+M0=94+15.3=109.3NcmC快速切削负载时所需力矩 M切M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL02i =94+15.3+13400.6(20.81.25) =94+15.3+127.96=237.26Ncm从上面计算可以看出，M起、M快和M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。从下表查出，当步进电机为三相六拍时 =MqMjmax=0.951最大静力矩Mjmax=743.80.951=782Ncm按此最大静力矩从下表查出，150BF002型最大静转矩为13.72Nm。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还需进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。5.1.3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 =4000 HZ=1000 HZ从表中查出150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800Hz运行频率为8000Hz,再从下表中查出130BF001型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图2-3，2-4所示。当步进电机起动时，f起=2500时，M=100Ncm,远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（782Ncm）直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制（用软件实现），将起动频率降到1000Hz时，起动力矩可增加到588.4Ncm，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 图5-1 130BF001 型运行距频特性 图5-2 130BF001 启动型距频特性当快速运动和切削进给时，130BF001型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。5.2横向进给步进电机计算5.2.1等效传动惯量计算横向传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J可由下式计算J=Jm+J1+（Z1Z2）2(J2+J3)+Z3Z(J+J)+Gg(L02)2 （5-2）式中各符号意义同前，其中J1=0.78103d14L1=0.781034.822=0.83kgcm2J2=0.78103d24L2=0.78103842=6.4 kgcm2J3=0.78103d24L3=0.78103442=0.4 kgcm2J4=0.78103d24L4=0.78103542=0.98 kgcm2Js=0.781032445=0.56kgcm2G=600nJm=4.7 （初选反应式步进电机为110BF）代入上式为： J=Jm+J1+（Z1Z2）2(J2+J3)+Z3Z(J+J)+Gg(L02)2 =4.7+0.83+(2410)2(6.4+0.4)+(2025)2(0.98+0.56)+60010(0.52)2 =8.42kgcm2考虑到步进电机与传动系统惯量的匹配问题JmJ=4.78.42=0. 558基本满足惯量匹配要求5.2.2电机力矩计算A.快速空载起动力矩M M起=Mamax+Mf+Ma （5-3）Mamax=J= Jnnax102(60ta2) = J2nmax102(60ta)式中： nmax=maxbp360 =12000.75(0.005360)=500r/min ta=30msMamax=J2nmax102(60ta)=8.422500102(600.03)=147Ncm折算到电机轴上的摩擦力矩MfMf=FOL02i=f(Pz+G)L0(2Z2Z1) =0.2(2680+600)0.50.48(20.8)=31.3Ncm附加摩擦力矩M0 MO=FPOL0(102)2i=13FtL0(102)(2Z2Z1) =1320230.50.48(10.92)( 20.8) =6.1Ncm上述三项合计： M起=Mamax+Mf+Ma=147+31.3+6.1=184.4NcmB快速移动时所需力矩M快。M快=Mf+M0=31.3+6.1=37.4NcmC.最大切削福载时所需力矩M切M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL02i =37.4+10720.50.48(20.8)=88.6Ncm由上面计算可以看出, M起、M快和M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，故以此项作为选择步进电机的依据。根据步进电机转矩Mq与最大静转矩Mjmax的关系可知，当步进电机为三相六拍时：=MqMjmax=0.866最大静力矩Mjmax=184.40.866=213Ncm查BF反应式步进电机技术参数得，110BF003型步进电机最大静转矩为7.84Nm。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。 5.2.3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 Fk=1000Vmax60p =10002.4600.01=4000Hz Fe=1000Vs60p =10000.6600.01=1000Hz由110BF003型步进电机的技术参数可知其最高空载起动频率为1500Hz，运行频率为7000Hz。根据110BF003型电机的起动距频特性和运行矩频特性曲线可以看出，当步进电机起动时F=1500Hz，M=98Ncm，小于机床所需的起动力矩（184.4Ncm），直接使用会产生失步现象，所以必须采用升降速控制（用软件实现）。将起动频率降为1000Hz时，既可满足要求。当机床快速起动和切削进给时，则完全满足运行矩频要求。第6章 CA6140车床刀架部分的改造6.1刀架的选用 电动刀架可分为四或六工位（即刀架上可装四或六把刀具），机床数据MD1451020所设定的数据应与刀架工位相吻合。每把刀具都有一固定刀号，通过霍尔开关进行到位检测。到位信号经故障设置引至I/O演示板下方的接插件上。根据实际需求我们选用四工位刀架。6.2电动刀架工作原理 系统发出换刀信号，刀架电机正转继电器动作，电机正转，通过减速机构和升降机构将上刀体上升至一定位置，离合盘起作用，带动上刀体旋转到所选择刀位，发讯盘发出刀位信号，刀架电机反转继电器动作，电机反转，完成初定位后上刀体下降，齿牙盘啮合，完成精确定位，并通过升降机构锁紧刀架。6.3 改造后的刀架 改造后的刀架如图6-1所示，刀架尺寸如表6-1所示。图6-1 改造后的刀架表6-1刀架尺寸H1236mmH380mmH240mmH420mmB230mmB1115mmA90mmL1379mm6.4刀架的电气控制刀架电气控制原理如图6-2、6-3所示图6-2刀架电气控制原理图图6-3刀架电气控制原理图6.5刀架的安装刀架安装时拆除原手动刀架和小拖板,安装由微机控制的四工位电动刀架。根据车床的型号及主轴中心高度,选用LD4-I型四工位电动刀架。安装时,去掉车床小拖板,置刀架于中拖板上,卸掉电机风罩,逆时针方向转动电机,或转动轴承盖处之内六角螺孔,使刀架转动到45左右时,装上螺钉,然后固定刀架即可。电动刀架的安装较为方便,安装时须注意以下两点:（1）电动刀架的两侧面与原车床纵、横向的进给方向平行。（2）电动刀架与系统的连线在安装时应合理,以免加工时切屑、冷却液及其它杂物磕碰电动刀架连线。第7章 机床的安装调试与验收7.1 数控系统调试7.1.1 华中数控系统与车床间I/O信号的处理车床至数控系统的输入信号。输入信号包括各种位置、速度及操作信号。主要有：主轴编码器向数控系统发出的PAS、PAS*、PBS、PBS*、PCS、PCS*信号，用于位置和速度及判向。X、Z轴参考点开关SQ2、SQ3及行程限位开关SQ4SQ7分别用做减速回零和超程保护。限位暂时解除开光，当X、Z轴产生超程保护后。按下此开关暂时解除超程信号，然后反向运行到正常行程范围内。X、Z轴步进驱动器报警信号，当驱动器故障时，向数控系统发出信号进行功能保护。刀架信号板，由霍尔元件及磁柱组成，在换刀时检测到信号T01T04。急停开关，用于在紧急情况下停止机床的所有输出。数控系统至机床的输出信号。对主轴的控制信号，数控系统向变频器发出010VDC的模块电压控制变频器的输出频率，从而实现自动无级调速。主轴控制信号（M03M05 功能及制动信号）。自动润滑信号。润滑信号M32可定时控制润滑系统泵的接通，对导轨、刀架等运动机构及时补充润滑油。冷却液信号。利用冷却信号M08控制冷却泵工作，让冷却液带走车削时产生的热量以保护刀具和工件。X、Z轴运动信号。数控系统给驱动器送出信号有步进脉冲信号（CP+、CP-）方向信号（DIR+、DIR-）：驱动使能信号EN1。换刀信号。可使刀架正传TL+及刀架反转TL-，也可在程序中编入刀具号。7.1.2数控车床的几种过程原理分析及相应参数的设置1、主轴停止在程序中执行M05指令或手动停止主轴时，系统断开主轴电机的电源。然后经适当延时后发出制动信号并保持一定时间，使主轴停止。其中主轴断电后延时由参数D087、D088设定，制动信号保持时间由参数D089、D090设定。因主轴变为变频驱动，则设定P001.5=1，初始运行时，综合调整P021（主轴模拟调整数据）、P036（主轴速度偏置补偿）、P037P040（模拟给定10V时对应齿轮14挡的转速，最终使指令转速与实际转速一致。有关参数设定为：主轴断电至开始制动时间T1，D087=01001001（低位字节）；D088=00000000（高位字节），则T1=16（256D088+D087）=1168ms。主轴抱闸时间T2，D089=01111101（底位字节），D090=00000000，则T2=16（256D090+D089）=2000ms。主轴编码器的齿轮倍率参数P006.6=0，P006.7=0。2、回零点。零点是机床的编程坐标基准点，是机床正常、精确工作的基础。系统每次上电后都应多两轴回零。每轴用一个感应开关SQ2（X轴）、SQ3（Z轴）作为减速信号和零位信号。回零操作时，两轴先以P022、P023设定的快速负向运动，得到减速信号后，开始逐渐减速到零。然后以P033设定的回零速度反向运动，再次收到SQ2、SQ3信号时停止运动，此时的位置就是坐标零点。其中需要设定的参数为：用感应开关P007.1(X轴)=1，P007.0（Z轴）=1；选择负方向回零P006.1（X轴）=1，P006.0=(Z轴)=1；有机械回零点P014.1(X轴)=1，P014.0(X轴)=1，P014.0(Z轴)=1；低速回零点速度P033=200mm/min。3、电动刀架换刀动作及相关参数设置。当程序自动或手动换刀时，数控系统发出刀架正转信号TL，然后等待相应的刀具到位信号(T01T04),收到到位信号后停止正转,经过D082设定的延时后,给出反转信号信号TL-锁紧与否靠反转时间D085设定,有关参数为：1） 刀具到位信号低电平有效时P001.1=1；2） 无刀具到位信号P041.0=0；3） 移动一个刀位所需时间上限T3.D076,=11000111(低位字节)，D077=00000000（高位字节），则T3=16（256D077+D076）=3184ms；4） 从第一把刀到最后一把刀所需时间上限T3，D078=10001110（低位字节），D079=00000000（高位字节），则T4=16（256D079+D078）=6368ms；5） 刀架正转停止到反转的时间T5，D082=00000111（单字节），则T5=16D082=1008ms；6） 刀架反转锁紧电间T6，D085=00111111（单字节），则T6=16D085=1008ms。7） 总刀位数T*，D084=00000100（单字节），T*=4。4、进给轴调及相关参数高置。1)轴运动方向调整，更改P008.1（X轴）和P008.0(Z轴)可使用进给运动方向改变；2)数控系统中设有X、Z轴驱动器报警电平参数，应将其与驱动器实际报警电平设为一致。如P009.1(X轴)=1，P009.0(Z轴)=1g表驱动报警信号为低电平有效。3)应正确设置电子齿轮比参数，使进给轴的实际行程一致。其与驱动器细分档、丝杠螺距、步距角、电动轴的减速比有关。我们设计中驱动器的细分档为10、电机的步距角为0.75，X、Z均为1：1的齿轮传动，丝杠螺距为4mm.5mm，因X轴为直径编程，所以电机一转对应的移动量为8mm，Z轴电机一转对应的的移动量为5mm。则：CMR/CMD=360/（1000aL，其中CMR为指令倍乘系数，CMD为指令分频系数：a为步距角，L为电机一转的对应的机床移动量，则X轴；CMR/CMD=3/5：Z轴：CMR/CMD=24/25。参数设置为：PO15（X轴）=3，PO16（Z轴）=24，PO17（X轴）=5，PO18（Z轴）=254)快移动速度和加减速时间常数设置。PO22（X轴）=800mm/min,PO23（Z轴）=1000mm/min;PO24（X轴）=450ms，PO25（Z轴）=450ms。5)软限位参数。软限位参数应设置在硬限位正常的行程方位内，其作用为避免因行程限位而中断加工。起单位为um，分正、负两个方向。可根据硬限位行程和加工方位自行设定。6)丝杠反向间隙的补偿。进给轴由于装配、磨损等原应，均存在一定的反向间隙，为提高机床的加工精度，经测量必须设定X、Z轴的间隙补偿值，单位为um。5、其他有关参数的设置及传动链注意事项华中数控系统的参数分系统参数P、诊断参数为D、设置参数S三种。与加工程序编辑有关的参数应根据操作员的需要来设置和修改，如公、英制编程选择等。另外，由于驱动系统为步进电机开环系统，运行中应避开起低频震荡区，最高移动速度也不能太高，以防失步：中间传动链应进行适当的予紧，以消除间隙，提高传动刚度，消除反向空行程死区，最终提高加工精度。只要对数控设备认真研究摸索，逐渐积累经验，然后从世界应用出发选用成。7.2 电气系统的调试调试分为两大步：数控系统外围的调试；数控系统为适应具体数控机床需要而调整机床参数，调试用户程序，称为弱电调试。在整机通电前，断开至CNC单元、伺服单元的电源插头。这是一项安全措施，以防止不正确的电源进入改造数控系统的损坏。1)电源电压调试。：为保证人身和设备安全，必须首先确定各种电源电压是否正常，如进线电源、DC24V、伺服变压器副边电压等。2)各控制回路的调试。a) 用电器的工作：分别使各用电器正常工作，如照明回路。b) CNC的启动停止：以上各种电源电压正确之后，可以CNC。启动停止电路。CNC启动后，LED出现显示。c) 急停回路：按下机床操作面板上的急停按钮，检查机床是否卧刻停止运动，保证机床的安全。一般情况下，超程检测由CNC通过参数处理（称为软件限位），外部的限位开关是不必要的。然而，为了避免由于伺服反馈系统发生故障而使机床移动超出软件限位值，必须安装行程限位开关（称为硬件限位）。当开关被挡铁压上后，CNC复位并进行紧停回路。移动机床拖板检查硬件限位是否能工作。3) 限位开关超程检测。数控系统进行超程检测，是CNC的基本功能，称为软件限位。硬件限位是指通过行程开关限位。在机床回参考点的动作中，经常需要软件限位和硬件限位结合使用。若机床带有刀库，当刀库在前位时，Z轴不能在参考点下移动，因此Z轴需要设置第二软件限位保护。4) 轴行程的设置。主轴控制单元（或称主轴放大器）接收来自CNC的译码指令，同时接收速度反馈实施闭环控制。还通过PLC将主轴的各种实际工作状态报告CNC，用以完成对主轴的各项功能控制。主轴电动机控制接口为主轴串行输出（与模拟输出相对，串行输出中输出到主轴的命令值数字数据）。同时使用外接位置编码器与CNC相连，用于检测主轴的位置。a) 使主轴能以指定的转速旋转，如S500 M03。本机床由CNC控制主轴电机的速度和极性。主轴采用高低两档齿轮变速，高速档主轴与主轴电动机之间齿轮传动比为1：1；低速档主轴与主轴电动机之间齿轮传动比1：4.95。需处理CNC侧对主轴速度的控制的接口信号及主轴控制单元侧的接口信号，并设置最高速度、换档速度等参数。b) 使主轴能停留在某个固定位置（主轴准停），如M190。为了保护刀具能准确地在主轴和刀库之间交换，必须使用主轴准停功能。主轴完成信号检测水平；P4077：准停偏移量（如果定向停止位置不准，将会损坏换刀装置，可通过该参数对主轴定向位置进行精调）。7.3传动丝杠的安装与调试1) 利用螺母的间隙调整装置调整丝杆副间隙时，应使调整后产生的预紧力以丝杆副最大负载的1/3为宜。在实际调整中，可以把车床处于最大工作负载，使丝杆内部仍不产生间隙，或者间隙量小于0.01mm，而且运转灵活，并以次作为螺母间隙调整装置预紧量的判断标准。2) 传动丝杆轴线上各联轴套上的锥销孔按十字分布方式进行配作。这是因为同一联轴套上分布的锥销孔都按同一方向加工时，往往会引起轴心线的直线误差增大，从而使安装在传动丝杠上个零件间的同轴度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠副的传动性能。消除齿轮间隙的方法很多，用调整中心距的方法是最简单的一种。安装时将大齿轮所在支承架传动中心与丝杆对中，首先固定，然后把电动机小齿轮按无间隙啮合，调整好中心距，再固定。3) 滚珠丝杆副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂，都是由专业工厂按系列化进行生产。因此，在进行设备改造时，要按厂家生产标准进行选择。选择合适以后，再决定被改造设备的其他相关部分的结构和尺寸。主轴脉冲发生器的引出轴与车床主轴按1：1无间隙柔性连接传动，连接后应该保证两者有很好的同步性。安装中要注意主轴脉冲发生器是玻璃件，不能随意敲打碰撞。使用中，车床主轴转速不能超过主轴脉冲发生器的最高许用转速。4）改造后的机床专用性强，没有多余的功能；结构简单、易于维修、改造周期短、且提高可机床的性价比；可以满足生产及教学的要求。总 结论文介绍了数控车床改造的内容，在此过程中我不仅运用了以前所学的各个学科方面的知识，而且学到了课本以外的知识。在此次设计过程中遇到了不少问题，也走了不少弯路，通过此次设计实践让我学会虚心求教，细心体察，大胆实践。任何能力都是在实践中积累起来的，都会有一个从不会到会，从不熟练到熟练的过程，人常说“生活是最好的老师”就是说只有在生活实践中不断磨练，才能提高独立思考和解决问题的能力；同时也培养了自己优良的学风、高尚的人生、团结和合作的精神；学会了勤奋、求实的学习态度。 勤奋就是要发奋努力、不畏艰难。唐代思想家韩愈有句名言：业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。优良的学业是辛勤汗水的结晶，成就只有通过刻苦的学习和拼搏才能获得。马克思说过：“在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。”求实就是脚踏实地，求真务实，谦虚谨慎、介骄介躁、对知识的掌握要弄通弄懂，对技术的掌握要严守规范、严谨细致、精益求精。一个人的力量是有限的，团结合作的力量是无穷的，通过对各个设计环节的确定让我明白：一粒沙虽小，但无数粒却能汇成无限的沙漠；水滴虽小，却你汇成辽阔的海洋；你的一个思想、一个方法，他的一个思想和方法，相互交流互换就有了两个思想和方法，当今社会竞争日益激烈，而我们现在就应该学会与他人合作。 当然，在设计实践过程中，我们也收获了快乐、与同学的快乐、与老师的快乐。因为每