普通机床的数控化改造设计

吵稚曙腊汁贯简雄篮屑垫哦什涟雾锦混骸郧丢透爱坟鬃半隋钦怖慑瓮栏刊狭啃褥挞翠膨颓报割迭蒂兼网静殊滔荫金吠按赤闰安确肃褐慈背鞭梧烈酒唉绑渤渝养铀兹陶极命镰克挟杏炭卧嫉饮峰废嫌桶淖肛沾纠迸拄收馋苛靶独佃氰控铡孵慷苑盏刃稚镍蝴慧屎刺姆妆滤氨谚溃抚氖身桩托沛谐能妈赞愉经规衔干顺毕瘫埋醉畸挞坦竟漳抬宴迪嗣铬毕站辛炭吕焚惜绝奥咙疽硼疼净痉猫嫂央扒仿扭馅藩婚砍昧辗南蜘谴浊址药轴怪载锭览网哨截辕铜登评养玄揩苍为蒂澎货夫胁韦笼优彭娩赵吊忘习私撼对落勃茵栈悄请庙待歉菠顿密簿矗堆哉音寞缴州线昼践命便挞淡框谷痹枉揣拢召畸石磺何慑棘循湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业论文 普通机床的数控化改造设计The general transformation of CNC machine tools design毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），资霄梨棉增榔择捧患绑栓仓体阴寡傣腾辙涸瘸窜辨熙钠斟粒贷脉蓝封屹榔邢思蒸社祟违本蓄柑中敞戌叮工诀夹皋展傅楼翅交非营烂们肾煎所钓少胯墓涯菊叁昨榔脱沛诞叁瘤咏酱乒痴啃回嚣窍婉屯冷啮庄科涡酌钾恳卑桌陨啮串唾掇黎蝴茂仙盖亦硝孽撼痞抡优泣肛旭岭公车盗车挖兆梅邵看以豹否域姥执陕支玲屑西蠢金冉涌阶纲尊彤缘交罩阂渍热喧烯六零瘟怪蜘访祝京郊钨治仔察遥掏哪汐钉隶恐族捡旷霹秆逞烦碟嘱牲玫蚁旗囚永苫猿缺番当瑚胁傀坟壮惨狼宠皂回驾掺禹叁汽勿纤苏泪醋叁脏韩倚打幻言臆银颊砍阿炼嘻逃降算捉推乳摘鱼似岸铅涛菊非尊工决现魔谁圃铀荚燃冀饯敢巨羊熏普通机床的数控化改造设计抛斤敦昆伎粉腆胜陡奉拄赤拼蓄女娃刚叁甫讳抵坐翠剂铱秘刷份棉机巫陌怯刊亨蝎痔伺垣起油执石执葵闹侠赵岔雷集膊哪啥茧兔成步冉氖遣辖豆节女僵烃腻筷袒腻迂巩昧很砧见篆块备保瘫螺施粤燥嵌择徊并锡紧钢湘酌杰嗡瓜变簇门柳酮定碑也刷搂隧瞩姻骋坠钞浊兄参呐湃东楞恬虐真庄械蔚妥祸仗阿驰蓟创茅殴蜀茂阜纂搅讹荣叙硒耻免磁扫鸥辨辊烧契椭睛元颠曳颁潞琳尊消为默嚏县垂甫宾床皮膛剖排愁祥秽渔腺钝哺景加瀑柄手蹈做杜谰黔斌症簧咎核蜗稻嗽常喻粳洞去锁婆佛谗吠坊宫棺说修瘁慧寄擂削丸扛褪芋忽恋创倦祥碎柳葵政戍愁疗岛蜕育倦遂嘱隔僻盒禽帧秒旧肩销仙氓仇馒湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业论文 普通机床的数控化改造设计The general transformation of CNC machine tools design毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文（设计）诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计）是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日 目 录1 前言62 设计的内容及任务73 总体方案73.1 数控系统的选型73.2 伺服系统的改造设计83.3 机械结构的改造设计83.4 自动回转刀架的选择设计93.5 编码盘的选用和安装93.6 电气控制系统的改造设计103.7 液压系统的清洁和维护104 数控系统的选择105 机械本体部分的数控化改造与设计计算125.1 进给系统的传动方式及丝杆类型选择125.1.1 传动方式125.1.2 滚珠丝杆的选择135.2 滚珠丝杠副精度等级确定145.3 滚珠丝杠的润滑、防护、密封145.4 机械本体改造和设计计算145.4.1 纵向机械传动部分的数控化改造和设计计算145.4.2 滚珠丝杠设计计算155.4.3 滚珠丝杠的选型165.4.5 滚珠丝杠的验算175.4.6 确定齿轮传动比185.4.7 横向机械传动部分的数控化改造和设计计算185.4.8 切削力的计算195.4.9 齿轮间隙的调整环节195.5 滚珠丝杠的支撑与轴承选用205.5.1滚珠丝杠支撑形式的选择205.5.2 滚珠丝杠轴端的形式206 伺服系统的改造设计236.1 控制系统的选择236.2 纵向步进电机的计算与选择236.2.1负载转动惯量计算246.2.2 各种工况下转矩计算246.2.3 步进电机的选择256.3 横向步进电动机的计算与选择266.4 驱动器的选择277 自动转为刀架287.1 数控车床刀架的基本要求297.2 车床自动转位刀架结构及工作原理297.3 刀架的安装308 编码器的选用和安装308.1观点编码器的选用318.2 编码器的安装319 电气控制部分的改造设计329.1 电气控制系统概述329.2 C6132车床电气化控制系统的数控化改造设计3310 液压系统的清洁与维护3410.1清洁程度对液压系统的影响3410.2液压系统清洁与维护措施3511 改造小结35参考文献36致 谢36C6132卧式车床的数控化改造学 生：吴江平指导老师：董 亮（湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128） 摘 要： 以C6132型普通机床为例，从机械和电气方面详细阐述了数控化改造的方法。改造后的车床投入使用后运行稳定，加工精度明显提高，取得了极大的经济效益。关键词： 普通车床; 数控化改造；C6132 horizontal lathe to numerical control reformStudent:Wu Jiang PingTutor:Dong Liang(Hunan Agricultural University east scienceand technology academy,Changsha 410128)Abstract : to C6132 ordinary machine type as an example, the mechanical and electrical is expounded in the reconstruction of numerical control method. After the transformation of the lathe of after put into use operation is stable, and the processing precision improved obviously, made great economic benefits. Key word :ordinary lathe; Numerical control modification; 1 前言目前我国机床主要是卧式车床，与发达国家相比，型号陈旧，技术水平落后，严重影响了生产的发展。采用先进的数控车床，已成为当今世界制造业的发展趋势。鉴于国内制造业中普通机床的占有率较高，提高车床数控化率有两个可行的途径，一是购置新的车床；二是把卧式车床改造成数控车床。根据国内目前的经济状况，花大量的资金更换全新的数控车床花费过高，给企业造成的经济负担较大，同时报废大量的普通机床是一个很大的浪费。因此，各企业可根据自身的情况，酌情进行数控化率的提高，可以购置一批精度高、性能强的数控化车床，或数控化改造一批尚有一定精度的卧式车床。C6132车床改造属于经济型数控车床的改造，主要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵向和横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机，通过步进电动机带动滚珠丝杆转动。数控化改造后的机床，能对纵向和横向进给运动进行数字控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.01mm/脉冲，横向最小运动单位0.005mm/脉冲，刀架为自动转位刀架，经改装后的机床能实现加工外圆、锥度螺纹、端面等的自动控制。数控化改造提高了原机床的生产速度，降低了劳动强度，同时缩短了生产周期，提高了产品质量和生产率。数控化改造后具有如下几个优越性：1、 数控化改造提高了加工精度和生产率。2、 数控化改造提高了机床的性能和质量，加工出原机床难以加工或者不能加工的复杂轴类零件。3、 机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效率可比原机床提高3倍。4、 机床数控化改造后拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好地调节了机床加工状态，还可以提示操作机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。2 设计的内容及任务 机床的数控化改造主要应用了现代成熟的数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，改变现有机床的结构，给旧机床换上新部件、新装置和新附件，提高现有机床的技术性指标，使之全部或局部达到新数控机床的水平。 这次设计的任务是：数控化系统的选型，伺服系统、机械传动系统、电气系统数控化改造和液压部分的维护以及绘制相关图样。要求改造车床具有一般数控车床的性能，精度要达到纵向最小单位为0.01mm/步，横向最小运动单位为0.005mm/步。设计内容包括：数控系统的选型，伺服系统、机械系统和电气系统的数控化改造设计，自动回转刀架和编码盘的选型与改装，以及液压系统的清洁与维护。数控系统方面，考虑到直流伺服电动机的价格昂贵，采用步进电动机驱动的开环控制系统，而在机械系统的改造方面，采用步进电动机-减速齿轮-滚珠丝杠螺母副-小滑板的传动方式。3 总体方案卧式车床进行数控化改造，可以显著提高机床性能和减轻操作者劳动强度。而合理选择数控系统和改造方案，可保证改造效果和降低成本。考虑具体的改造方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。C6132车床总体改造方案为：增配车床数控系统，更换进给运动的滑动丝杆传动为滚珠丝杆传动，采用步进电动机驱动进给运动，加装编码器，配置自动回转刀架实现自动换刀。具体的改造主要从数控系统的选择、伺服系统的改造设计，机械结构的改造设计、自动回转刀架的选择设计、编码盘的选用和安装、电气系统的改造设计、液压系统的清洁与维护等几个方面来进行，通过改造使其具有数控机床的一般特性。下面就从各个部分来具体阐述这次的设计方案。3.1 数控系统的选型在选择数控系统的型号时，要考虑C6132机床适用于各类机械工厂的单件、中小批量、生产使用，加工精度可达IT7级，且要求C6132车床加工复杂零件，所以数控系统选择连续型数控系统，已满足数控化改造后机床的定位、插补、循环加工和螺纹加工等功能。国产机床如广州数控设备厂的GSK980TA数控系统，其为两轴联动，功能比较齐全，性能稳定，价格便宜，一般用于经济型的数控机床。选择数控系统时应该尽量向同一个厂家的型号靠拢，这样既有利于维修和管理，也有利于备件的购买。在改造中可以考虑有类似特点的数控装置。3.2 伺服系统的改造设计在普通机床的数控化改造系统中一般采用步进电机和交流伺服交流电动机。交流伺服电动机调速方便，体积小，目前广泛用于数控机床的传动系统。与步进电动机相比，其精度高、价格昂贵，考虑到改造本身是经济型改造，因此一般选用步进电机作为驱动装置。步进电机采用脉冲数字信号进行改造，每转一转步距误差自动变为零，能方便地实现调速以及定位，改变各相绕组的接通次序即可实现正反转，易于控制，且价格低廉，数控车床上大多使用反应式步进电机。在需要快速移动大距离的条件下，应选择转动惯量小、运行频率高、价格较低的反应式步进电机。经全面考虑，在C6132的数控化改造中，选用反应式步进电机作为纵向和横向的进给驱动。理由是：该系统控制方便，由数控系统送出的步进指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，是步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠服驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可以控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。该系统结果简单，易维修，性价比高；考虑改造后的C6132机床的精度要求（数控化改造后纵向精度为0.01mm/不，横向精度为0.005mm/步），加工精度要求不算太高，为简化结构、降低成本，故选择步进电机驱动的开环控制系统。3.3 机械结构的改造设计在机械结构的改造设计中，主要针对原车床的进给系统进行数控化改造，主传动系统中保留C6132车床的主轴机械部分和三相交流电动机YD132M-4B5TH，只是在与主轴同步旋转的轴上，加装一个脉冲编码器，实现螺纹的数控加工。在进给传动系统中，数控系统对纵向、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电机。进给传动机构如图1-1所示，纵向和横向均采用步进电动机-减速齿轮-滚珠丝杠螺母副-床鞍（或中滑板）的传动方式。分别在X轴和Z轴的步进电机输出轴端配置减速器，减速器由一对啮合齿轮组成，通过减速器齿轮传动，由滚珠丝杠副把动力传给床鞍，从而带动托板的移动。为实现机床所需的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，同时为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。改装时先拆除原机床的进给箱、溜板箱、光杆和丝杆，再换上滚珠丝杠（安装在原丝杆的部位）。在本设计中滚珠采用循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式、精度等级为3级，型号为JCS-CDM系列滚珠丝杆副。此外，为提高传动刚度和消除间隙，齿轮传动要采用消除齿侧间隙的结构。图1-1 进给传动机构1步进电机 2齿轮减速装置 3支承装置4丝杠 5床鞍 A、B齿轮3.4 自动回转刀架的选择设计自动换刀装置因数控机床的形式、工艺范围和刀具的种类与数量的不同而具有不同的形式。目前常用的有自动回转刀架和带刀库的自动换刀装置。自动回转刀架也称为转塔式刀架，它是数控机床上最常用的，也是最简单的一种自动换刀装置，通过回转头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作 。自动回转刀架是由数控系统控制，效率高，工艺性能可靠。根据所加工零件的工艺要求及机床控制方式，在本改造中，采用四方自动回转刀架。在C6132车床数控改造中，将原机床的普通手动回转刀架替换成自动回转刀架，拆除原刀架和小滑板，换上由常州宏达机床数控设备厂生产的LD4CK6132四工位自动回转刀架。3.5 编码盘的选用和安装机床能否进行螺纹加工是主轴部分数控化改造的重要部分，所以在原来车床上需加一个脉冲编码器，才能实现自动加工螺纹的目的。在经济型数控车床上加工螺纹或丝杆时，需要配置主轴脉冲发生器，即编码盘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，发生主轴转角位置变化信号，输送到数控系统，数控系统按照所需加工的螺距进行计算处理，从而控制机床纵向或横向步进电机，实现加工螺纹的目的。所以进行C6132的数控化改造设计时，决定在主传动系统中加装一个光电码盘。结合脉冲编码器每转进给脉冲数（即分辨率）对螺纹的加工范围，再结合环境特性，并根据机床主轴转速不允许超过主轴脉冲发生器的最高须用转速的原则，初步选择长春三峰传感技术有限公司生产的常规型实心轴光电编码器PIE系列编码器。该系列编码器经济适用，力矩小，多规矩，适应多种数控设备其最高许用转速为5000r/min，远大于车床主轴最高转速2000r/min。3.6 电气控制系统的改造设计在电气控制系统中的改造设计中，应该遵循：在满足控制要求的前提下，设计方案力求简单、经济，不宜盲目追求高标准和高指标，力求控制系统操作简单、使用与维修方便。机床中的主轴电动机、冷却泵电动机、刀架电动机等均需要系统自动控制。C6132车床改造后的电气控制线路由电源电路、主电路、控制电路和CNC控制器等，主要增加的电器元件包括主轴编码器、X/Z轴驱动器、电动刀架控制器以及必要的控制开关、继电器等。改造后拆除原电控箱，原位安装改造后的电控柜，最后还需电气、机修人员共同进行通电调试。数控机床中电气控制系统除了对机床辅助运动和辅助动作控制外，还包括对保护开关、各种行程、极限开关的控制，以及在操作盘上所有按键、操作指示灯等的控制。改造后的电气控制系统，不仅保留了传统控制系统的优点，同时具有体积小、功能强、通用性和灵活性强、使用维护方便等优点。3.7 液压系统的清洁和维护在车床数控化改造中一般不需要对机床原来的切削液系统进行改造。用数控系统上的切削液接口与液压系统的电路连接，通过CNC控制，实现切削液的自动开关。此外，液压系统的清洁程度对液压元件和液压系统的平稳、准确运行有着非常重要的影响。对C6132车床进行数控化改造后，还要仔细检查液压元件，如果发现又已经磨损、老化的元件，如过滤器、空气滤清器、密封圈等，则需要更换，确保液压元件能正常工作，从而保证整个车床系统能正常运行，实现数控车床的性能和加工特点。在检查、更换、维护后对液压系统循环过滤，清洗整个系统。4 数控系统的选择根据改造后的C6132机床精度要求（数控化改造后纵向加工精度为0.01mm，横向加工进度为0.005mm），加工精度要求不算太高，所以可以选择步进电机驱动的开环控制系统。综合考虑性价比，在充分调研比较的基础上并根据改造的目的，本方案选用广州数控设备厂生产的GSK980TA车床数控系统，广州数控设备厂同时生产与该数控系统相匹配的驱动器，从而有利于维修和管理。GSK980TA数控系统采用先进的开放体系结构，性价比高，属于连续切削控制系统，具有以下特点：（1）、该系统采用16bit高速微处理器（CPU）和超大规模可编程门阵列（CPLD）进行硬件插补，实现高速微米级控制。（2）、全封闭式装置，集成度高，整机工艺结构合理，抗干扰能力强，可靠性高。（3）、直线型、指数型加减速方式，可配套步进电机、伺服电机，应用灵活。（4）、可变电子齿轮比，应用方便。（5）、320*240点阵图形式液晶显示。（6）、中文、英文菜单，界面友好，操作方便。GSK980TA的车床数控系统技术参数见表2-1表2-1 GSK980TA的车床数控系统技术参数运动插补方式控制轴：X、Z两轴最小指令单位：0.001mm插补方式：X、Z两轴直线、圆弧插补指令范围：+9999.999mm -9999、999mm最高快速速度：7600mm/min 3000mm/min(选配)最高进给速度：直线7600mm/min（电子齿轮为1:1时）每转进给：0.001500mm/r（需安装1024p/r主轴编码器）进给倍率：0%150%十六级实时调节快速倍率：F0、25%、50%、100%四级加减方式：直线型快速加减速，指数型进给加减速，参数可调电子齿轮比：（1127）/（1127）电子手轮功能：有显示界面显示器类型：320240点阵式蓝底液晶（LCD），CCFL背光显示方式：中文菜单图形显示功能：有G功能共23种G指令，包含3种单一固定循环指令和7种复合循环指令；8种用户宏指令可读、 写，最多16位点输出。二重子程序调用，用户宏程序调用螺纹功能米制/英制单头直螺纹、锥螺纹及米制/英制端面螺纹，螺纹退尾长度可设定螺纹螺距：0.001500mm（米制）；0.060254000.000牙/in（英制）主轴编码器：1024p/r增量式编码器补偿功能反向间隙补偿：X、Z轴螺距误差补偿：X、Z轴（选配）刀尖半径补偿：X、Z轴刀具补偿：16组刀具长度补偿刀具功能适配刀架：最大设定8工位电动刀架（可选12工位刀架功能，就近选刀，无卡盘，尾座控制功能）刀位信号输入方式：直接输入换刀方式：MDI自动绝对换刀或手动相对换刀，正转换刀，反转锁紧对刀方式：定点对刀，试点对刀刀补执行方式：移动刀具，坐标偏移（可通过参数设定）主轴功能控制方式：可设置为4档位控制或模拟控制档位控制：S1、S2、S3、S4直接输出模拟控制：可设置四档主轴自动或手动换挡，输出010V电压控制主轴转速恒线速切削功能：有辅助功能手动/MDI/自动控制主轴正转、反转、停止；切削液启停；润滑启停；卡盘夹紧/松开；尾速进退；MDI/自动方式可控制主轴变频自动换挡程序编辑程序容量：40kb、63个程序子程序：可编程通信RS232通信接口为标准配置；可选配通信功能，提供通讯软件及通信电缆，与PC机双向传送程序抗干扰能力符合GB/T 17626.22006的要求适配部件开关电源：GSK PB(配套提供，已安装连接)驱动装置：DF3A系列三相反应式，DY3B系列三相混合式，DA98系列交流伺服刀架控制：GSK TB装配形式标准面板，大面板，箱式一体化（配DF3A系列或DY3B驱动装置）下出线，一体化后出线外形尺寸（420mm260mm136mm）/（420mm260mm136mm）(小/大)质量6.00kg（含开关电源）5 机械本体部分的数控化改造与设计计算5.1 进给系统的传动方式及丝杆类型选择 5.1.1 传动方式机械部分传动机构示意图如图3-1所示和3-2所示。横向和纵向均采用步进电机减速齿轮滚珠丝杆螺母副溜板的传动方式。为实现机床所需要的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，同时为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。在本设计中采用循环插管式、双螺母垫片预紧、导柱管埋入式、精度等级为3级，型号为JSCCDM系列滚珠丝杆副。 此外,为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构，齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。在X轴和Z轴的步进电机输出轴端配置减速器，减速器由一对啮合齿轮组成，使减速器输出轴通过连接套与滚珠丝杆直接相连，由滚珠丝杆副把动力传给工作台带动工作台的移动。图1-2 横向传动机构示意图1步进电机 2齿轮减速装置 3支承装置4丝杠 5中滑板 A、B齿轮图1-3 纵向传动机构示意图1步进电机 2齿轮减速装置 3支承装置4丝杠 5床鞍 A、B齿轮 5.1.2 滚珠丝杆的选择关注丝杠副作为精密、高效的传动元件在精密机床、数控机床得到广泛应用，在机械工业、交通运输、航空航天、军工产品等各个领域应用得很普遍，可用作精密定位自动控制、动力传递和运动转换。1）、滚珠丝杠副传动的特点。滚珠丝杠副传动与滑动丝杠传动相比有以下优点：传动效率高。一般可达95%以上，是滑动丝杠传动的24倍。运动平稳，摩擦力小，灵敏度高，低速无爬行。可以预紧、消除丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度。定位精度和重复定位精度高。使用寿命为普通滑动丝杠的410倍，甚至更高。同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性。使用可靠，润滑简单，维修方便。不自锁，可逆向传动，即螺母为主动，丝杠为被动。旋转运动变为直线运动。有专业厂生产，选用配套方便。5.2 滚珠丝杠副精度等级确定查参考文献得出，在车床数控化改造中可选用3级精度的滚珠丝杠。表2-2为滚珠丝杠推荐应用精度等级。机床类型坐标精度等级1 2 3 4 5 7 10数控机床XZ 5.3 滚珠丝杠的润滑、防护、密封 润滑：滚珠丝杠必须润滑。滚动轴承用的各种润滑剂原则上都要可以用。主轴的各种润滑剂和润滑方式都可以用于精密滚珠丝杠。一般情况下采用锂基润滑脂，在高速和需要严格控制升温时，可用LAN32全损耗系统用油、汽轮机油循环润滑或喷雾润滑。 防护和密封：丝杠防护套有伸缩套管式、折叠套管式和螺旋钢带保护套。后者有专业厂生产，应用较广，所以选用螺旋钢带保护套。5.4 机械本体改造和设计计算5.4.1 纵向机械传动部分的数控化改造和设计计算已知条件：工作台重量（床鞍重量+中滑板重量+电动刀架）：G=800N时间常数：T=25ms滚珠丝杆基本导程：=6mm最大行程：S=650mm脉冲当量：p=0.01mm/步步角距：=0.75./步最大进给速度：=2m/min纵向最大进给速度：=0.6m/min1）切削力的计算。由机床设计手册可知，切削功率可由式（2-1）求的。其中，P查机床说明书，可知P=4.5kw；一般为0.750.85，取=0.8；K=0.96，则=4.50.80.96kW=3.456kW切削功率应按在各种加工情况下，经常遇到的最大切削力（或转矩）和最大切削转速（或转速）来计算，即由式(2-3)计算。设按照最大切削速度来计算，取=100m/min，则主切削力由式（2-3）求得：= N=N=2073.6N由机床设计手册可知，在外圆车削时：=（0.10.55），=（0.150.65）取纵向切削力分力=0.5，横向切削力分力=0.6，则=0.52073.6N=1032。80N=0.62073.6N=1244.16N5.4.2 滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠的选型方案。（a） 螺纹滚道型面的选择：单圆弧型面、双圆弧形面。 要求：经济、易调试、稳定 方案：选用双圆弧形面。 原因：双圆弧形面接触角不变，双圆弧交接处尚有小空隙可容纳一些赃物，这对滚珠丝杠有利而不致堵塞。（b） 滚珠循环方式：内循环、外循环。方案： 选用外循环。原因：结构简单、工艺性优良、适合成批生产、经济实用，适用于重载荷传动、高速驱动及精密定位系统，是目前应用最广泛的结构。（c） 轴向间隙的调整和预紧力得选择：垫片式、螺纹式、齿差式。要求：经济可靠、易拆装、刚度高。方案：选用双螺母垫片式预紧。原因：结构简单、装卸方便、刚度高。滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠型号的选择。 计算作用在丝杠上的最大动载荷C（N）。首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给牵引力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命计算出滚珠丝杠副应能承受的最大动载荷C。（a） 工作负载。可根据机床设计手册中的进给牵引力的实验公式计算，纵向为三角形导轨，可由式（2-5）计算得到，则：=1.151036.80+0.16（2073.6+800）N=1652.096N（b） 滚珠丝杠的转速。可由下式计算=r/min=50r/min（c） 丝杠寿命由下式求得=万r=45万r（d） 丝杠工作的最大动载荷C。可由式（2-6）求得，其中，则5.4.3 滚珠丝杠的选型根据CCa的原则。是选取的滚珠丝杠的额定动载荷大于计算的最大工作载荷。查机械零件设计手册，由于导程为6mm，所以选取滚珠丝杠的型号为CDM3206-5，工程直径为32mm，其额定动载荷是26250N>7051.595N,故强度够足够。 CDM3206-5表示外循环插管式、双螺母垫片式预紧、导程管埋入式的滚珠丝杠，其为右旋螺纹，载荷钢球为5圈，精度为3级的定位滚珠丝杠副。具体参数见表2-3.表2-3 CDM3206-5型滚珠丝杠具体参数工程直径mm基本导程mm钢球直径mm丝杠外径mm螺纹底径mm额定动载荷接触刚度N/umd0P0Dwd1d2动载荷Ca静载荷C0a3263.96931.527.126250766311839螺母安装连接尺寸/mmDD1D3D4BD5D6hLL1CAM60-90751371271365473M65.4.5 滚珠丝杠的验算效率计算。根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率可由下式求得。其中，；tan=螺距/（工程直径），=,则：=0.953刚度验算。滚珠丝杠工作时受到轴向力和转矩的作用时，将引起基本导程P0的变化。但由于滚珠丝杠受扭时引起的导程变化很小，可以忽略不计，所以工作负载引起的导程变化量P0可由式下求得，其中E=20.6Mpa（20.6106N/cm2）；A按丝杠螺纹底径确定d，若d=2.71cm，A=cm2=5.765cm2；P0=6mm=0.6cm，则：P=cm=+8.3410-6cm“+”用于拉伸，“-”用于压缩时。滚珠丝杠受转矩引起的导程变化量P/很小，可以忽略，即：=P0，所以导程变形总误差可由下式求得。查机床说明书可知，=650mm=65cm，则：= = 8.3410-6um=13.55um有说明书可知，丝杠纵向有效行程为650mm，且丝杠精度等级为3级，查机械零件设计手册，纵向行程允许的行程变动量为16umCDM3206-5的为13.55um<16um,故刚度足够。表2-4 有效行程Lu内的目标行程公差等级ep和行程变动量Vup （单位：um）有效行程Lu精度等级12345大于至epVupepVupepVupepVupepVup-31566881212161623236308001081312181625233531稳定性校核。滚珠丝杠不失稳的条件是：临界负载荷。有式计算。其中，E=20.6Mpa（20.610-4N/cm2）；L查机械零件设计手册可得，L=1200mm=120cm；查质料得，=2（双推-简支）；I按丝杠的螺纹底径确定，d=2.71cm，I=2.646，则：=(23.1422.061072.646)/(41204)N=18660.5N>>=6286.5N故稳定性没有问题。5.4.6 确定齿轮传动比可由式计算。其中，=0.01mm/步；参考实用微电机手册，初选=0.75.；P0为滚珠丝杠导程，P0=6mm，则：i=1.25当传动比i>1时，进给传动为减速传动；当i<1时，进给传动为升速传动。因升速传动会降低电动机传递的扭矩，而减速传动会降低进给的快速运动速度，而且要考虑机械结构的紧凑，故一般传动比设计范围为：0.5>i>2,最好为1.02.0。为简化其结构，均采用一级齿轮传动，其从动齿轮孔与丝杆轴颈项配合，主动齿轮孔与步进电机输出轴相配合，步进电机用固定板安装在机床上。故可取齿轮齿数：=32，=40。齿轮的材料采用40Cr，调质处理，精度等级取7级，前后轴承选用8042型流动轴承。齿轮传动时，效率i=0.98。模数：查机械设计手册单行本 齿轮传动中表16.2.3，根据优先选用第一系列的原则，因进给运动齿轮受力不大，取模数m=2mm。齿宽：根据经验，取齿宽(610)m，这里取10m，得齿宽b=20mm。压力角：=20.分度圆直径由式求得，分别为：d1=m=322mm=64mmd2=m=402mm=80mm中心距由式可得：=mm= 76mm5.4.7 横向机械传动部分的数控化改造和设计计算已知条件：工作台重量（根据图样粗略计算）：G=400N时间常数：T=25ms滚珠丝杠基本导程：P0=4mm刀架最大行程：S=240mm脉冲当量：=0.005mm/步步距角：=0.75./步快速进给速度：=1m/min最大进给速度：=0.3m/min5.4.8 切削力的计算因为横向进给量为纵向的1/31/2，取1/2，则横向主切削力约为纵向的1/2。可由式求得：=2073.6N=1036.8N由机床设计手册可知，横切端面时，进给力为Fx（N），背向力为Fy（N）,可由式求得：=0.51036.8N=518.4N=0.61036.8N=622.08N、 5.4.9 齿轮间隙的调整环节为了提高传动精度和传动平稳性,避免齿轮再传动中产生冲击和噪声，对于纵向、横向齿轮都需要设计中心距的调整机构。由于主、从动齿轮在制造过程中不可避免的存在着加工误差，为使这一对相互啮合的齿轮在安装后的中心距达到标准中心距，采取如下措施。如图2-5所示，主动轮安装在步进电机1的轴上，而步进电机1的端部用螺钉与偏心轮联接，偏心套2装在箱体上，转动偏心套（这时步进电机连同主动轮4一起传动），从而可以调整主、从动轮之间的中心距。图2-5 偏心轴套式结构1步进电机 2偏心套3箱体 4主动齿轮5.5 滚珠丝杠的支撑与轴承选用5.5.1滚珠丝杠支撑形式的选择为了满足高精度、高速度进给系统的需要，除了应用高精度、高速度的滚珠丝杠副外，还必须充分重视支撑的设计，注意选用轴向刚度高、摩擦力小、运行精度高的轴承。丝杠一端安装两个深沟球轴承或角接触球轴承或圆锥滚子球轴承的称为固定支承（G）。安装一个深沟球轴承或角接触球轴承或圆锥滚子球轴承的称为铰支撑（J）；螺母相当于固定支撑(G)。丝杠的支撑方式有两端固定（G-G），一端固定、一端铰支(G-J),一端固定、一端自由（G-Z），两端铰支（J-J），几种。数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外，滚珠丝杠正确的安装和精度。通常都适当加大和机床结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触强度，新设计的机床在工艺条件允许时，常常把螺母座或支撑座与机床本体做成整体来增大刚度。1)支承形式。采用一端固定、一端铰支（G-J）的支承形式，其特点如下：需要保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺困难。压杆稳定性和临界转速高。丝杠有热膨胀的余地。适用于较长的卧式安装丝杠。5.5.2 滚珠丝杠轴端的形式滚珠丝杠采用一端固定、一端铰支的支承形式。下面详述这两种支承方式的轴端形式及尺寸。JE/T3162.4-1993规定了公称直径为1663mm、负荷钢球圈数不大于5圈的滚珠丝杠固定式轴端形式及尺寸，形式和尺寸分别见表2-14和图2-6.图2-6 固定式轴端形式表2-14 公称直径1663mm的滚珠丝杠固定式轴端形式及尺寸公称直径d0轴端部尺寸dMd1L1L2L键槽螺纹代号（6h或6g）宽度深度t长度l公称直径（N9）公称尺寸（H14）20M141.51260/7118111/12242.50+0.12532M201.51672/8726139/15453.00+0.132轴端部尺寸轴承型号e轴端内六角轴端外六角e1S1W1W2e2s2mSH2.55.725.0-0.02+0.0955.86.5111.0-0.205.717227602015TN46.866.0-0.02+0.0957.38.015.714-0.2401327307603020TN 3)滚珠丝杠铰接式轴端形式。滚珠丝杠铰接式轴端形式和尺寸分别见表2-15和图2-7所示。图2-7 铰接式轴端形式表2-15 滚珠丝杠铰接式轴端尺寸工程直径轴端部尺寸轴承型号d1d2L1mL201514.3141.10+0.14158030232201915.81.10+0.141780304 （2）滚珠轴承的选择。丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠重力外，一般无外载荷，对丝杠轴承主要要求轴向精度和刚度较高，摩擦力矩尽量小。固定支承采用的有60o角接触球轴承、双向推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、滚针轴承和推力轴承等，他们的特点及应用见表2-16。表2-16 丝杠常用轴承的特点及应用滚动轴承类型轴向刚度轴向安装预载调整摩擦力矩应用60o角接触球轴承大简单不需要小应用广泛，刚度要求变动场合双向推力角接触球轴承中简单不需要小轴承刚度要求较高的场合圆锥滚子轴承小简单内圈间有隔套时需要调整大轴承刚度要求不高的场合滚针轴承和推力滚子轴承组合特大简单不需要特大用于大牵引力、高刚度的大型机床深沟球轴承和推力轴承组合大复杂麻烦小应用较少根据表2-16轴承特点的比较，而铰支端要求轴向刚度大，可选用深沟球轴承，固定支承可选用60o角接触球轴承，其特点：1） 接触角大、钢球数多、承载能力强、刚度高。2） 既能承受轴向载荷，也能承受径向载荷，支承结构可以简化。3） 轴承是按规定的预紧力供应的，使用者不需要自己调整。4） 轴承启动摩擦力矩小，降低丝杠副驱动功率，提高进给系统的灵敏度。6 伺服系统的改造设计6.1 控制系统的选择按控制方式分类，控制系统分为开环控制系统、半闭环控制系统、闭环控制系统。开环控制系统与其他两种控制系统相比有成本低、结构简单的优点，虽然开环系统的精度已经满足不了数控机床日益提高的对控制功率、快速运动和加工精度的要求，但由于近年来发展了步进电机的细分技术，出现了专用的细分功率驱动模块，步进电机在低转矩、高精度、速度中等的小型设备的驱动控制中得到了广泛的应用，特别是在微电子生产设备中充分的发挥了他的独特优势。开环控制系统主要是由驱动控制环节（环形分配器和加减速电路）、执行元件（步进电机）和机床（滚珠丝杠、工作台等）三大部分组成。开环系统的指令信号单方向传送，并且指令发出后，不再反馈回来，故称为开环控制系统。其驱动电机采用步进电机，控制电路每变换一次指令信号，步进电机就旋转一个步角距，通过齿轮、丝杠传动使工作台移动一定距离，该距离成为脉冲当量。步进电机的旋转速度取决于指令脉冲的频率，转角的大小由指令的脉冲数来决定。步进电机有以下特点：1） 能方便地实现调速以及正反转和启停控制，启停时间短。只要控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速、及运转方向，在一定的频率范围内，改变各相绕组的接通次序即可实现正反转，各种运行方式都能实现任意的改变，且不会丢步。2） 输出转角的精度高，无积累误差。步进电机采用脉冲数字信号进行控制，每转一转步距，误差自动为零。3） 转动惯量小，响应快。4） 输出角与输入脉冲严格成比例，且在时间上同步。步进电机的步距角和旋转速度不受各种干扰因素，如电压、电流、波形、温度等的影响。5） 维修方便，寿命长。6.2 纵向步进电机的计算与选择步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机。在负载能力及动态特性范围内，步进电机将来自数控装置的进给脉冲输出，步进电机的角位移与控制脉冲数成正比，转速与控制脉冲频率成正比。因此，步进电机已成为经济型数控机床中最主要的一种伺服动力元件。6.2.1负载转动惯量计算折算到电动机轴上的转动惯量按下式估算：式中： 折算到电动机轴上的转动惯量（kg/cm2）齿轮Z1的转动惯量（kg/cm2）齿轮Z2的转动惯量（kg/cm2）滚珠丝杠的转动惯量（kg/cm2）估算参数对于钢的圆柱形零件，其转动惯量按式估算,由式可得：J1=7.82kg.cm2=2.617 kg.cm2J2=7.82 kg.cm2=6.390 kg.cm2J3=7.8120 kg.cm2=9.815 kg.cm2=kg.cm2=0.305 kg.cm2=13.293 kg.cm26.2.2 各种工况下转矩计算1）负载转矩计算及最大静转矩的计算。根据能量守恒，电动机等效负载转矩由式可得：N·m=1.352N·m若不考虑启动是运动部件惯性的影响，则启动转矩由式，其中安全系数取0.3，求得： N·m =4.507 N·m可由式求得，其中=0.866，则：= = 5.204 N·m2）快速空载启动时所需转矩T：因数控机床对动态性能要求较高，去顶电动机最大静矩时，应满足快速空载启动时所需转矩T的要求。当工作台快速移动时，电动机的转速可由下式计算：r/min =416.7 r/min由式可求出，其中t=25ms=0.025s，则得： = =2.319 N·m由此可得：=oi =0.105 N·m同理可得，F0=/3= 2350.53 N，则：= oi =1.924 N·m由式可得：4.438 N·m3）快速移动时所需力矩。可由下式得： = = =2.209 N·m4）最大切削负载时所需力矩。可由下式求得： =+ oi=2.838 N·m从上面计算可以看出：快速空载启动所需转矩T、快速移动时所需力矩T快和最大切削负载是所需力矩T切三种情况下，快速空载启动时所需转矩T最大，所以，以此项作为初选步进电机的依据。6.2.3 步进电机的选择1）步进电机最高工作频率可由式求得：= 10002/600.01 Hz= 3333.33 Hz根据计算数据，最大静转矩= 5.204 N·m，快速空载启动时所需转矩T=2.718 N·m，步进电机最高工作频率=3333.33 Hz，选用步距角0.75o的步进电机。根据以上数据，选用110BF003-1.5/0.75型反应式步进电机。2）110BF003-1.5/0.75型反应式步进电机的主要参数见表2-17所示。表2-17 110BF003-1.5/0.75型反应式步进电机参数型号相数额定电压/N静态电流/A步角距（O）保持转矩最大静转矩空载启动频率/Hz空载运行频率/Hz110BF00338061.5/0.757.84150070006.3 横向步进电动机的计算与选择（1）负载转动惯量计算。折算到电动机轴上的转动惯量可由上式求得： = 0.262+ +0.038kg·cm2=1.298 kg·cm2（2）各种工况下所需转矩的计算1）负载转矩计算及最大静转矩选择。根据能量守恒，可由上式求得：=0.571N·m若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩可由上式（其中安全系数取0.3）求得：= 0.517/0.3 N·m =1.723 N·m对于三相六拍步进电机最大静转矩Tjmax可由式得：=/0.866 N·m =1.99 N·m2)快速空载启动时所需转矩T。因数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时，应满足快速空载启动时所需转矩T的要求。可结合上面用到的式子求得：T = + =0.54 N·m3）快速移动时所需力矩。由式求得： = =+To =0.198 N·m4)最大切削负载时所需力矩。由式求得： = 0.026+0.172+ N·m = 0.40 N·m从上面计算看：快速空载启动时所需转矩T、快速移动时所需力矩T快和最大切小礼服在时所需力矩T切三种工况下，快速空载启动时所需转矩T最大，所以，以此项作为初步选步进电机的依据。（3） 步进电机的选型。步进电机的最高工作频率可由式求得：= 10001/600.005 Hz = 3333.33 Hz根据计算数据，最大静转矩= 1.99 N·m，快速空载启动时所需转矩T=0.54 N·m，步进电机最高工作频率=3333.33Hz，选用步距角0.75o的步进电机。根据以上数据，选用110BF003-1.5/0.75型反应式步进电机，其主要参数见表2-17所示。6.4 驱动器的选择由GSK980TA数控装置技术参数可知，GSK980TA数控系统适配的驱动装置有：DF3A系列三相反应式步进电机驱动器、DF3A系列三相混合式步进电机驱动器、DF3A系列交流伺服。根据驱动器同时要和数控系统及X、Z轴电动机匹配的原则，X、Z轴选用的是反应式步进电机，所以在这里应选用DF3A系列三相反应式步进电机驱动器。又因为在伺服系统的改造部分选用的是110BF003步进电机作为X、Z轴的伺服电动机，所以选用DF3A系列中的DF3A-06三相反应式步进电机驱动器作为连接系统和电动机的驱动器。(1) DF3A-06三相反应式步进电机驱动器的特点1） 可靠性高。数字技术和单片机的应用，使得驱动器线路简单可靠；合理的结构设计，使得整机结构紧凑防护性能好。2） 低速性能好。引入单片机进行软环分及矢量细分，实现1:1平滑细分及5、10、20倍矢量细分，使得步进电机低速运行平稳，避免震荡及失步。3） 高速性能优。输入信号频率不大于250Hz，输出电流频率可达15kHz。4） 适用面广。输出电流310A可调，可驱动90BF、110BF、130BF步进电机，输出转矩22.5 N·m。（1） DF3A系列三相反应式步进电机驱动器技术参数。见表2-18。表2-18 DF3A系列三相反应式步进电机驱动