CA6140車床的數(shù)控化改造

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1、摘 要 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點：具有高度柔性，加工精度高，加工質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，生產(chǎn)率高，改善勞動條件，利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。 普通機(jī)床的缺點：普通機(jī)床靠齒輪和普通絲杠螺母傳動。由于各運動副間存在間隙，加上手工操作不準(zhǔn)確，因此重復(fù)精度較低。普通機(jī)床測量時需停車后手工測量，測量誤差較大，而且效率低下。適合批量較小，精度要求不高，零活類零件。它投資較數(shù)控低，但對工人的操作技能要求較高，因此工資水平高。 在數(shù)控機(jī)床上加工零件，主要取決于加工程序，它與普通機(jī)床不同，不必制造、更換許多工具、夾具，不需要經(jīng)常調(diào)整機(jī)床。因此，數(shù)控機(jī)床適用于零件頻繁更換的場合。也就是適合單件、小批生產(chǎn)及新產(chǎn)品的開發(fā)，縮短了

2、生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，節(jié)省了大量工藝設(shè)備的費用。 物競天擇，適者生存。一些不適應(yīng)社會發(fā)展在機(jī)床必將被淘汰，所以實施機(jī)床的數(shù)控化改造是機(jī)械行業(yè)在必然趨勢。通過搜集資料、實踐研究等方法對機(jī)床就行改造即是用較少的成本去創(chuàng)造更高的價值。而這也將極大的推動中國機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。  經(jīng)過大量實踐證明普通機(jī)床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟(jì)性、實用性和穩(wěn)定性。所以很多企業(yè)紛紛將現(xiàn)有機(jī)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，這種做法具有投資少、見效快的特點。事實證明：機(jī)床的數(shù)控化改造可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 目前機(jī)床數(shù)控化改造的市場在我國還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機(jī)床數(shù)控化率不到3％。用普通機(jī)床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量

3、差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。本文以車床的數(shù)控改造為例，介紹了機(jī)床數(shù)控改造的方法，包括其結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計，性能與精度的選擇以及最后改造方案的確定。 關(guān)鍵字：機(jī)床、數(shù)控化、改造、意義 目 錄 第1章 數(shù)控化改造的好處 第2章 數(shù)控化改造方案 第三章 介紹CA6140普通車床 第一節(jié) 簡單

4、介紹……………………………………………………4 第二節(jié) 加工范圍及特點……………………………………………6 第三節(jié) 傳動系統(tǒng)的介紹……………………………………………7 第四章 設(shè)計進(jìn)給系統(tǒng) 第一節(jié) 設(shè)計縱向進(jìn)給系統(tǒng)……………………………………

5、……9 第二節(jié) 設(shè)計橫向進(jìn)給系統(tǒng)…………………………………………18 第五章 改造車床主軸及控制系統(tǒng) 第一節(jié) 改進(jìn)主軸電機(jī)………………………………………………26

6、 第二節(jié) 主軸脈沖編碼器的運用……………………………………26 第三節(jié) 改進(jìn)刀架……………………………………………………28 第四節(jié) 改進(jìn)機(jī)床導(dǎo)軌………………………………………………29 第五節(jié) 坐標(biāo)系的建立X、Z軸的限位和參考返回電路………

7、……30 第六節(jié) 安裝用鍵和變頻器…………………………………………31 第七節(jié) 機(jī)床的安裝、調(diào)試、精度檢驗……………………………31 致謝 參考文獻(xiàn)

8、 第一章 數(shù)控化改造的好處 一、有利于企業(yè)技術(shù)的提高，成本的節(jié)約 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，有很大的優(yōu)勢，數(shù)控機(jī)床具有高度柔性，加工精度高，加工質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，生產(chǎn)率高，改善勞動條件，利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化；而普通機(jī)床精度低，效率低，適合批量較小，精度要求不高，零活類零件。它投資較數(shù)控低，但對工人的操作技能要求較高，因此工人工資水平高。這樣會大大的加大企業(yè)的支出，對企業(yè)的收入也是有所影響的。 二、有利于企業(yè)經(jīng)濟(jì)開支的節(jié)約 數(shù)控化改造一般用戶都能承擔(dān)的起,這為資金緊張的中小型企業(yè)的技術(shù)改造開辟了新路,也對實力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了較大的吸引力。由于新型機(jī)床價格昂貴,一

9、次性投資巨大,如果把舊機(jī)床設(shè)備全部用新型機(jī)床替換。要花費大量的資金,而替換下的機(jī)床又會閑置起來造成巨大浪費,若采用數(shù)控技術(shù)對舊機(jī)床加以改造和購買機(jī)床相比,則可省50%以上的資金,一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價格僅為全功能裝置的1/3到1/5。 三、有利于數(shù)控化市場的擴(kuò)大 訂購新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長,往往不能滿足用戶的需要,而改造的數(shù)控機(jī)床能夠適應(yīng)市場對產(chǎn)品多樣化和高精度的要求。因此得到了用戶廣泛的應(yīng)用,機(jī)床的數(shù)控化改造已成為滿足市場需求的主要補充手段,對中、小型企業(yè)來說是十分理想的選擇。 四、有利于企業(yè)生產(chǎn)的擴(kuò)大 在現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)中,中小批量甚至單件生產(chǎn),個性化的產(chǎn)品占有相當(dāng)大的比重

10、,尤其是我國加入世貿(mào)組織后,成為世界性的加工基地,產(chǎn)品出口的增長迅速,從低附加值、勞動密集型產(chǎn)品逐步過度到高附加值的精密型零件的出口，高精度的數(shù)控機(jī)床起了重要的作用。數(shù)控機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。 五、有利于企業(yè)的工業(yè)化水平的提高 以數(shù)控機(jī)床為代表的現(xiàn)代基礎(chǔ)機(jī)械是制造實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)代化的重要設(shè)備，數(shù)控技術(shù)水平的高低和機(jī)床的數(shù)控化率，數(shù)控設(shè)備的擁有量已成為衡量一個國家現(xiàn)代工業(yè)化水平的重要標(biāo)志。 六、有利于企業(yè)的多方面發(fā)展 數(shù)控技術(shù)用于機(jī)床的改造是建立在微電子技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，具有高可靠性、柔性強(qiáng)，易于實現(xiàn)機(jī)電一體化、經(jīng)濟(jì)性可觀等特點。為此，在舊機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控化改造可以提高機(jī)床

11、的使用性能、降低生產(chǎn)成本、用較少的資金投入而得到較大的經(jīng)濟(jì)效益。 第二章 數(shù)控化改造方案 一、 改造的內(nèi)容 普通車床的數(shù)控化改造主要有4個內(nèi)容：（1）車床的主軸的正、反向轉(zhuǎn)數(shù)控制和實現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速。（2）車床縱橫兩個方向的走刀量控制。由計算機(jī)控制的電動機(jī)直接帶動傳動絲杠來實現(xiàn)。（3）自動換刀的控制。是通過計算機(jī)控制的電動機(jī)來達(dá)到轉(zhuǎn)角的目的。（4）在加工螺紋時，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)、刀架移動一個被加工螺紋的螺距或?qū)С獭? 二、改造原則 確定具體改造方案的基本原則是：在滿足使用要求的前提下對機(jī)床的改動盡可能少，以降低成本、增強(qiáng)抗干擾性。 三、改造方案 采用SINUMERIK80

12、2D數(shù)控系統(tǒng)，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速齒輪減速后帶動絲杠轉(zhuǎn)動，利用滾珠絲杠螺母副從而實現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運動。使用四方刀架進(jìn)行自動換刀。此外，為了保證車床加工螺紋的功能和防止意外事故的發(fā)生，增加光電編碼器和電路中設(shè)置了保護(hù)電路。 四、進(jìn)給系統(tǒng)改造的要求 具有較高的定位精度、有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，即系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應(yīng)要好、穩(wěn)定性要好，為了確保數(shù)控機(jī)床進(jìn)給的傳動精度和工作穩(wěn)定性。要求進(jìn)給系統(tǒng)達(dá)到無間隙、低慣量、高剛度和高諧頻率以及適應(yīng)的阻尼等。 第三章 介紹CA6140普通車床 第一節(jié) 簡單介紹 一、機(jī)床的組成和主要技術(shù)參數(shù) 1．機(jī)床的組成 CA614

13、0車床的主要組成部件由圖1所示。 圖1 CA6140車床外形圖 1—主軸箱 2—刀架 3—尾座 4—床身 5—右床腿 6—溜板箱 7—左床腿 8—進(jìn)給箱 6—溜板箱 7—左床腿 8—進(jìn)給箱 1．主軸箱 主軸箱1是一部件，由箱體、主軸、傳動軸、軸上傳動件、變速操縱機(jī)構(gòu)、潤滑密封件等組成。主軸通過前端的卡盤或者花盤帶動工件完成旋轉(zhuǎn)作主運動，也可以安裝前尖頂通過撥盤帶動工件旋轉(zhuǎn)。 2．刀架 四方刀架裝在小滑板上，而小滑板裝在中滑板上，縱滑板可沿床身導(dǎo)軌縱向

14、移動，從而帶動刀具縱向移動，用來車外圓、鏜內(nèi)孔等。而中滑板相對于縱滑板作橫向移動，用來帶動刀具加工端面、切斷、切槽等。小滑板可相對中滑板改變角度后帶動刀具斜進(jìn)給，用來車削內(nèi)外短錐面。 3、尾座 尾座3可沿其導(dǎo)軌縱向調(diào)整位置，其上可安裝頂尖支撐長工件的后段以加工長圓柱體，也可以安裝孔加工刀具加工孔。尾座可橫向作少量的調(diào)整，用于加工小錐度的外錐面。 4、進(jìn)給箱 進(jìn)給箱8內(nèi)裝有進(jìn)給運動的傳動及操作裝置，通過改變進(jìn)給量的大小，可改變所加工螺紋的種類及導(dǎo)程。 5、床身及床腿 床身4是機(jī)床的支承件，它安裝在左床腿7和右床腿5上并支承在地基上。床身上安裝著機(jī)床的各部件，并保證它們之間具有要求

15、的相互準(zhǔn)確位置。床身上面有縱向運動導(dǎo)軌和尾座縱向調(diào)整移動的導(dǎo)軌。 6、溜板箱 溜板箱6與縱向滑板（床鞍）相連，溜板箱內(nèi)裝有縱、橫向機(jī)動進(jìn)給的傳動換向機(jī)構(gòu)和快速進(jìn)給機(jī)構(gòu)等。 2．CA6140車床的主要技術(shù)參數(shù)，如表1. 表1 CA6140車床的主要技術(shù)參數(shù) 床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑 400mm 刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑 210mm 最大工件長度 750、1000、1500mm 主軸中心至床身平面導(dǎo)軌距離 205mm 最大車削長度 650、900、1400mm 主軸孔徑 48mm 主軸轉(zhuǎn)速 正轉(zhuǎn)（24級） 10～1400r/min 反轉(zhuǎn)（12級） 14～15

16、80r/min 刀架縱向及橫向進(jìn)給量 各64種 縱向 一般進(jìn)給量 0.08～1.59mm 小進(jìn)給量 0.028～0.054mm 加大進(jìn)給量 1.71～6.33mm 橫向 一般進(jìn)給量 0.04～0.79mm 小進(jìn)給量 0.014～0.027mm 加大進(jìn)給量 0.86～3.16mm 刀架縱向快速移動速度 4m/min 車削螺紋范圍 米制螺紋（44種） 1～192mm 英制螺紋（20種） 2～24牙/in 模數(shù)螺紋（39種） 0.25～48mm 經(jīng)節(jié)螺紋（37種） 1～96牙/in 主電動機(jī) 功率 7.5kw 轉(zhuǎn)速 1450r/min

17、 快速電動機(jī) 功率 250kw 轉(zhuǎn)速 2800r/min 第二節(jié) 加工范圍及特點 一．加工范圍 CA6140車床的工藝范圍很廣，它能完成車削內(nèi)外圓柱面、圓錐面、車削端面、各種螺紋、成形回轉(zhuǎn)面和環(huán)形槽等多種多樣的加工工序。也可以進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、攻螺紋、套螺紋和滾花等工作。其典型表如圖2所示。CA6140車床主運動由工件隨主軸旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，而進(jìn)給運動由刀架的橫向動來完成。由于機(jī)械產(chǎn)品中回轉(zhuǎn)表面的零件很多。車床的工藝范圍又較廣泛，因此CA6140車床使用十分廣泛。 圖2車床加工的典型零件 二．CA6140車床的加

18、工特點 1 加工范圍較大。 2 加工時，主運動是工件和旋轉(zhuǎn)運動，進(jìn)給運動是刀具的縱向和橫向移動。 3 正常情況下，在車削加工過程中，切削力比較穩(wěn)定，加工比較平穩(wěn)。 4 在車削加工過程中切屑和刀具之間的劇烈擠壓和摩擦，以及刀具與工件之間的摩擦，產(chǎn)生了大量的切削熱，但大部分熱量被切屑帶走，所以CA6140在加工過程中一般可以不使用切削液。 5 在一般情況下，這種機(jī)床多用于粗加工和半精加工。 第三節(jié) 傳動系統(tǒng)的介紹 CA6140車床的傳動系統(tǒng)，由主運動傳動系統(tǒng)、車螺紋進(jìn)給傳動系統(tǒng)組成，見圖3。 圖3 CA6140車床主運動傳動系統(tǒng)圖

19、 一.主運動傳動系統(tǒng) 1.傳動路線表達(dá)式 寫傳動路線表達(dá)式的方法是“抓兩頭帶中間”，即將首件通過中間傳動件將末端件聯(lián)系起來，對于CA6140型臥式車床主運動傳動鏈來說，即從主電動機(jī)經(jīng)Φ130mm帶輪帶動Φ230mm帶輪，從而帶動Ⅰ軸，Ⅰ軸上有雙摩擦離合器M1，M1向左結(jié)合，左邊的z51、z56雙聯(lián)齒輪與Ⅰ軸一起轉(zhuǎn)動，通過兩對傳動副「，」傳動Ⅱ軸實現(xiàn)主軸正轉(zhuǎn)。M向右結(jié)合，由z50與Ⅰ軸一起轉(zhuǎn)動，z50通過Ⅶ軸z34傳動Ⅱ軸上的z30實現(xiàn)主軸反轉(zhuǎn)。M1處于中間，則Ⅰ軸空轉(zhuǎn)，即不傳動左邊的z51和z56，也不傳動右邊的z

20、50，Ⅱ軸的運動通過Ⅱ——Ⅲ軸之前的三對傳動副「，，」傳動Ⅲ軸，Ⅲ軸有兩條路線可傳動主軸，即通過Ⅵ 軸上的M，M向左滑移至z63與z50嚙合，使得Ⅲ軸通過﹝，﹞ 直接傳動主軸Ⅵ軸，實現(xiàn)主軸高速轉(zhuǎn)動，即為450～1400r/min;若M向右結(jié)合，Ⅲ軸通過﹙，﹚傳動Ⅳ軸，Ⅳ軸通過﹝，﹞傳動Ⅴ軸，Ⅴ軸通過 傳動Ⅵ軸（主軸），其傳動路線表達(dá)式為 二．車螺紋進(jìn)給傳動系統(tǒng) CA6140型臥式車床的螺紋進(jìn)給傳動系統(tǒng)可車削米制，模數(shù)制，英制和徑節(jié)制4種標(biāo)準(zhǔn)螺紋，另外還可以加工大導(dǎo)程螺紋，非標(biāo)準(zhǔn)螺紋及較精密螺紋以及右旋，左旋螺紋。 車制螺紋時，刀架通過車螺紋傳動鏈得到運動，兩端件——主軸，刀架之間必須保持

21、嚴(yán)格的運動關(guān)系，即主軸每轉(zhuǎn)一周，刀具移動一個被加工螺紋的導(dǎo)程L。車螺紋傳動鏈運動平衡式為： =L 式中U為主軸至絲杠間全部傳動機(jī)構(gòu)的總傳動比；L絲為機(jī)床絲杠的導(dǎo)程，CA6140型車床的絲杠導(dǎo)程L絲=12mm；L為工件螺紋的導(dǎo)程（mm）。 三、縱向、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu) 車削內(nèi)、外圓柱表面時，可使用機(jī)動的縱向進(jìn)給車削端面時，可使用機(jī)動的橫向進(jìn)給。為了減少絲杠的摩孫和便于操作，保證螺紋傳動鏈的精度，機(jī)動進(jìn)給傳動鏈不用絲杠及開合螺母傳動。機(jī)動進(jìn)給是由光杠XIX經(jīng)溜板箱傳動。從主軸VI至進(jìn)給箱軸XVII上滑移齒輪Z28處于左位，使 脫開，從而切斷進(jìn)給箱與絲杠的聯(lián)系。運動由齒輪副及聯(lián)軸節(jié)傳至光杠

22、XIX，再由光杠通過溜板箱中的傳動機(jī)構(gòu)，分別傳至齒輪齒條機(jī)構(gòu)或橫向進(jìn)給絲杠XXVII，使刀架做縱向或橫向機(jī)動進(jìn)給。溜板箱內(nèi)的雙向齒式離合器及分別用于縱、橫向機(jī)動進(jìn)給運動的接通、斷開及控制進(jìn)給方向。CA6140型臥式車床可以通過4種不同的傳動路線來實現(xiàn)機(jī)動進(jìn)給運動，從而獲得縱向和橫向進(jìn)給量各64種。以同樣傳動路線傳動時，橫向進(jìn)給量為縱向進(jìn)給量的一半。 1.縱、橫向機(jī)動進(jìn)給的傳動路線表達(dá)式為 2.縱向機(jī)動進(jìn)給量(32種) 3.橫向機(jī)動進(jìn)給量(64種) 橫向機(jī)動進(jìn)給量為縱向機(jī)動進(jìn)給量的一半。 四、刀架的快速移動 在CA6140車床上加工零件時，為了縮短輔助時間，提高生產(chǎn)

23、效率：刀架可實現(xiàn)機(jī)動縱向、橫向快速移動。按下快速移動按鈕（點動控制），快速電機(jī)（0.25kw，2800rpm）經(jīng)齒輪副13/29使軸XX高速轉(zhuǎn)動，再經(jīng)蝸桿副4/29及溜板箱內(nèi)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，使刀架實現(xiàn)縱向或橫向的快速移動，快速移動的方向由溜板箱內(nèi)的雙向離合器M8及M9控制。 第四章 設(shè)計進(jìn)給系統(tǒng) 第一節(jié) 設(shè)計縱向進(jìn)給系統(tǒng) 縱向進(jìn)給系統(tǒng)主要分為切削力的計算、滾珠絲杠副的選擇、減速齒輪的設(shè)計、步進(jìn)電機(jī)的確定等。 操作步驟為：拆除原CA6140車床的傳動機(jī)構(gòu)（進(jìn)給箱、溜板箱、傳動絲杠、光杠、操作絲杠），利用原機(jī)床進(jìn)給箱的安裝孔和銷釘孔，安裝步進(jìn)電機(jī)減速箱體，滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置，

24、兩端仍采用原固定方式（一端固定、一端浮動）。由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，所以縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)整體剛性優(yōu)于從前，所以采用一級齒輪減速裝置。 已知條件，如表2： 表2 已知條件 最大工件直徑 /mm 最大工件長度 /mm 溜板及刀架重量 /mm 刀架快移速度 m/min 最大進(jìn)給速度 m/min 定位精度 mm 主電動機(jī)功率 /kw 起動加速時間 /ms 滾珠絲杠導(dǎo)程 /mm 床身上 床鞍上 750/1000 縱向 橫向 縱向 橫向 縱向 橫向 縱向 橫向 400 210 800 600 2.4 1.2 0.6 0.

25、3 ±0.015 7.5 30 6 5 選擇脈沖當(dāng)量 根據(jù)機(jī)床精度要求選擇脈沖當(dāng)量，縱向：0.01mm/步，橫向為縱向的一半，即0.005mm/步。 一、切削力的計算 車床的主電動機(jī)最大切削功率P=PηK 式中 P——主電動機(jī)功率，CA6140車床P=7.5KW η——主傳動系統(tǒng)效率，一般為0.6～0.7，取η=0.65 K——進(jìn)給系統(tǒng)功率總效率 取K=0.96 ∴P=7.5×0.65×0.96=4.68KW 又∵切削力P= 式中 F——主切削力（N） V——最大切削速度（m/min）。按用硬質(zhì)合金刀具半精車

26、剛件的速度V=100m/min 在外圓車削中：F=（0.15～0.7）F=2808×0.6=1684.8N F=（0.1～0.6）F=2808×0.5=1404N 二、滾珠絲杠副的設(shè)計及選型 1、滾珠絲杠副的工作原理及特點 在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中一般采用滾珠絲杠副來改善摩擦特性。滾珠絲杠副是一種在絲杠與螺母間裝有滾珠作為中間元件的絲杠副，其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。為防止?jié)L珠在工作過程中從螺母兩端掉出，在螺母的螺紋滾道4上裝有擋滾珠器2（又叫回珠器或反向器）?；芈饭艿?將滾珠3引回，構(gòu)成滾珠連續(xù)工作的循環(huán)通道。 圖4 滾珠絲杠副 1-壓

27、塊 2-擋珠器 3-滾珠 4-螺紋滾道 5-回路管道 6-螺母 7-絲杠 （1）、滾珠絲杠副具有如下優(yōu)點： ①傳動效率高 滾珠摩擦的摩擦損失小，傳動效率η=0.92～0.94，是普通滑動絲杠的34倍（η=0.20～0.40）。 ②摩擦力小 因靜、動摩擦因數(shù)小，因而傳動靈敏、運動平穩(wěn)、低速不易爬行、隨動精度和定位精度高。 ③可預(yù)緊 經(jīng)預(yù)緊后可消除軸向間隙。有助于定位精度和剛度提高，既使反向也沒有空行程，反向定位精度高，且傳動平穩(wěn)。 ④有可逆性 因摩擦因數(shù)小，所以不僅可將旋轉(zhuǎn)成直線運動，也可將直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，絲杠可螺母

28、既可作為主動件，也可作為從動件。 ⑤使用壽命長 滾珠絲杠副采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制成，去滾道表面淬火硬度達(dá)60-60HRC，表面粗糙度值小，而且是滾動摩擦，故磨損很小、使用壽命長。 因為滾珠絲杠副具有這些優(yōu)點，所以進(jìn)給系統(tǒng)我選擇滾珠絲杠副 （2）、 滾珠絲杠副的缺點是： ①制造工藝復(fù)雜，成本高 滾珠絲杠、螺母、反向器等零件的加工精度和表面粗糙要求高，故制造成本高。如絲杠螺母上的螺旋槽滾道一般都要求削成形表面，工藝復(fù)雜。 ②不能實現(xiàn)自鎖 由于起摩擦因數(shù)小而不能自鎖，特別是垂直（立式）絲杠，由于自重和慣性或因突然停斷電而容易造成主軸箱等下滑，所以需要添加制動裝置。 2、滾珠絲杠副的循環(huán)方

29、式 常用的循環(huán)方式有外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)：始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。 3、滾珠絲杠的安裝 為提高傳動剛度，選擇合理的支承結(jié)構(gòu)并正確安裝很重要。滾珠絲杠主要承受向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重，因此滾珠絲杠的軸向精度和剛度要求較高。在安裝時，應(yīng)注意調(diào)整絲杠間隙，可用百分表測出具體的間隙所在。 珠絲杠副的選用 滾珠絲杠副的選擇主要是工件負(fù)載必小于滾珠絲杠的額定動負(fù)載Cm(N)即必須滿足C<Cm。 4、滾珠絲杠的承載能力的計算 選擇縱向進(jìn)給為綜合導(dǎo)軌，計算絲杠的最大軸向進(jìn)給切削里Fm 又因為Fm=KFf+f’(Fc+w)

30、 式中Ff、Fp、Fc——切削分力（N） K——顛覆里矩影響取K=1.15 F’——導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)取f’=0.16 W——移動部件的重量（N） 代入式中：Fm=kFf+f’(fc+w) =1.15×1684.8+0.16×(2808+800) =2514.8N （1）、壽命L 最大切削里F的進(jìn)給速度Vs可取最高進(jìn)給速度的1/2——1/5（取為1/2），縱向最大進(jìn)給速度為0.6m/min,絲杠導(dǎo)程Lo=6mm，則絲杠轉(zhuǎn)速為：n= 絲杠使用壽命時間一般為15000h，則絲杠的計算壽命L為 L= （2）、載荷Cm 當(dāng)量動載荷Cm選用滾珠絲杠直徑do時，

31、必須保證絲杠工作時，在一定的軸向載荷作用下，絲杠在運轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)后，在它的滾珠上下產(chǎn)生疲勞點濁現(xiàn)象。這個軸向負(fù)載的最大值Cm，即為滾珠絲杠桿副所能承受的最大當(dāng)量動載荷Cm 式中：——運轉(zhuǎn)系數(shù) ——精度系數(shù) ∴==14908.11N 根據(jù)C<Cm的原則，查 《機(jī)械設(shè)計手冊》化學(xué)出版社出版，第三章第3卷，（P12-21）選取滾軸絲桿的型號為：CMD4006-2.5E左，坐標(biāo)直徑為40mm，即外循環(huán)，齒差調(diào)隙式，一圈2.5列。滾珠直徑為39.69mm，導(dǎo)程為6mm，摩擦級選用5級，螺紋升角r=arctag（L/d）=arctg（6mm/×40）=arctg0.04

32、7=. （3）、傳動功率 滾軸絲桿副的傳動功率為：=tgr/tg（r+）==0.94 式中：r——絲杠的螺紋升角 ——摩擦角。滾動絲桿副的滾動摩擦因數(shù)f=0.003，摩擦角約等于10′所以=10′ （4）、穩(wěn)定性驗算 臨界壓縮載荷，對于受壓的細(xì)長的滾軸絲桿，應(yīng)驗算其承受最大軸向壓縮載荷Fmax時是否會產(chǎn)生縱向彎曲。 式中 E——絲桿材料彈性量，對綱E=2.06×10N/m L——絲杠兩支承端距離（m），L=1.5m; f——絲杠的支承方式系數(shù)，f=2.00 f——許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，f=3 I——絲杠截面慣性矩（m） I= = =0.001m d——絲

33、杠螺紋底徑（m），d=d-1.02d=40-1.02×3.969=36.02mm. ∴==2256.75N （5）、剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形會影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運動平穩(wěn)性，因此驗算滿載時候的軸向變形量。 ① 絲杠的拉伸或壓縮變形量。在總變形量中占的比重教大 式中--滾珠絲杠支撐間的受力長度(mm) --滾珠絲杠的導(dǎo)程(mm) --在工作載荷作用引起的導(dǎo)程變化量(mm) 又∵ 式中--軸向平衡載荷 --材料彈性模量 鋼= --滾珠絲杠橫截面積 A== == mm “+”號用于拉伸。由于兩端均采用角接觸球軸承且絲杠又進(jìn)行了預(yù)緊，故其

34、拉壓剛度端固定的絲杠提高四倍。其實際變形為。 ② 滾珠與螺紋接觸變形量，此項變形占總變形量的比重也教大，當(dāng)對絲杠加有預(yù)緊力且預(yù)緊力為軸向最大載荷的1/3時，之值可減少一半， 又∵ 式中 ——軸向工作載荷（N） ——預(yù)緊力 ——滾珠直徑 ——滾珠數(shù)量其為圈數(shù)K列數(shù)Z每圈螺紋滾道內(nèi)的滾珠數(shù) 外循環(huán)Z= d——滾珠絲杠公稱直徑 = 據(jù)上所訴，實際變形量為: =0.009 ③ 支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形 支撐滾珠絲杠的軸承為8107型推力軸承，幾何參數(shù)d =35mm，滾球直徑 滾動體數(shù)量=18 軸承的軸向接觸變形為： mm 因施加預(yù)緊力，故實際變形量 m

35、m 注意單位為k ∴總變形量=++=0.0044++0041+0.003758=0.012258 又有前面已知條件可得：0.012258mm＜0.015mm的定位精度。 符合要求。 5、減速齒輪的設(shè)計i 根據(jù)機(jī)床設(shè)計的要求，縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量為0.01mm，滾珠絲杠導(dǎo)程L=6mm，及初選的步進(jìn)電動機(jī)的步距角0.75，傳動比為 因為I<5,故可為一級齒輪傳動。I== 因進(jìn)給運動齒輪受力不大。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》選取第一系列中的模樹m=2壓力角=20 ∴d=M×z=2×32=64mm 分度圓直徑 =+2=m(+2)=2(32+21)=68

36、mm =+2=m(+2)=2(40+21)=84㎜ 齒頂高系數(shù)，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：m≥1㎜時，正常齒制=1 齒根圓徑 = -=m(-2-2)=2(322-20.25)=59 = -=m(-2-2)=2(402-20.25)=75. 頂隙系數(shù) 我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：≥1 mm時，正常齒制=0.25 齒寬b=為了減小加工量，也為了裝配和調(diào)整方便，大齒齒寬應(yīng)小于齒輪齒寬，取，則 取=1 所以 所以減速齒輪參數(shù)為： 大小齒輪的材料均為40合金鋼，考慮到對傳動要求和制造方便采用直齒傳動從動齒輪齒輪錯齒輪法

37、消除和間隙，熱處理采用調(diào)壓處理，小齒輪硬度，大齒輪：硬度 三、步進(jìn)電動機(jī)的選擇 1、計算負(fù)載慣量的意義 慣量匹配條件 慣量匹配是指進(jìn)給系統(tǒng)負(fù)載慣量與伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)子慣量相匹配。 條件是：1〈〈4 式中：——伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量（）可有伺服電動機(jī)技術(shù)手冊查出。 J——負(fù)載慣量（），即進(jìn)給系統(tǒng)（傳動軸、齒輪、工作臺等）折算到伺服電動機(jī)上全部負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。 2、負(fù)載慣量的計算 參考同類型機(jī)床，初步選用反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)150BF002，其電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量=10。傳動系統(tǒng)折算到步進(jìn)電動機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量為： （1）、齒數(shù)Z、Z折算到步進(jìn)電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量為：

38、 （2）、絲杠折算到步進(jìn)電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量 從表查得1m的絲杠的=15.45 ∴J=15.45×1.5=23.175 （3）、等效轉(zhuǎn)動慣量為：J=J+ =3.21+ (=22.531 3、負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇 機(jī)床在不同的共況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同， （1）快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩是： 將已知數(shù)據(jù)代入，=500r/min 考慮了電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量以后，傳動系統(tǒng)折算的電動機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 J=J+J=10+22.531=32.531 M×=567.77N 折算到電動機(jī)軸上的摩擦力矩 =55.1

39、5 N.cm 附加摩擦力矩 =3.259N.cm 則M=M+M+M=567.77N.cm+55.15N.cm+3.259N.cm=626.179N.cm （2）快速移動時所需力矩M M=M+M=55.15N.cm+3.259N.cm=58.409N.cm （3）最大切削負(fù)載時所需力矩M =M+M+=55.15N.cm+3.259 N.cm+134.14N.cm=192.549N.cm 從上面計算看出M、M、M三種情況下，以快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩最大，以此項作為初選步進(jìn)電動機(jī)的依據(jù)。 查資料得，步進(jìn)電機(jī)為五項十帕?xí)r， 步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩= 按次最大靜力矩，150BF

40、002型步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距為13.72大于所需最大靜力矩，可作為出選型號。但還得考慮電機(jī)起動頻率特性和運行矩頻特性。 步進(jìn)電機(jī)的空載起動頻率： 150BF002型反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)允許的最高空載啟動頻率為2800，允許的最高空載運行頻率為8000。 由圖5步進(jìn)電動機(jī)起動矩頻特性可看出，當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)起動時，f起=2500HZ時，M=100N·㎝，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動力矩（633.84N·㎝），直接使用會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（可用軟件實現(xiàn)），將起動頻率降到1000HZ時，起動扭矩可增高到588N·㎝，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)

41、動電路，可將步進(jìn)電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩擴(kuò)大一倍左右。 圖5 150BF002步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性 a) 起動矩頻特性b)運行矩頻特性 當(dāng)快速運動和切削進(jìn)給時，由150BF002步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性圖18（b）知該電 動機(jī)能滿足要求，根據(jù)上述計算綜合分析，縱向進(jìn)給系統(tǒng)采用150BFOO2步進(jìn)電動機(jī)能滿足要求。 第二節(jié) 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 橫向進(jìn)給系統(tǒng)主要分為切削力的計算、滾珠絲杠副的選擇、減速齒輪的設(shè)計、步進(jìn)電機(jī)的確定等。 改造步驟：保留原手動機(jī)構(gòu)，用于微機(jī)進(jìn)給和機(jī)床刀具對空操作；保留原有的支承機(jī)構(gòu)；步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱體安裝在機(jī)床后

42、側(cè)，為了便于安裝滾珠絲杠。副絲杠軸采用分移式，然后用套筒剛聯(lián)接。采用雙片齒輪錯齒法消除齒輪副間隙，并在溜板箱上安裝了縱橫向進(jìn)給按鈕和急停按鈕，以適應(yīng)機(jī)床調(diào)整時的操作和意外事故的緊急處理。 一、切削力的計算 F=（0.1～0.6）F =2808×0.5=1404N 二、滾珠絲杠副的設(shè)計及選型 1、選擇縱向進(jìn)給為燕尾性導(dǎo)軌，計算絲杠的最大軸向進(jìn)給切削里Fm 又因為Fm=KFf+f’(Fc+2F+W) 式中Ff、Fp、Fc——切削分力（N） K——顛覆里矩影響取K=1.4 F’——導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)取f’=0.2

43、 W——移動部件的重量（N） 代入式中：Fm= KFf+f’(Fc+2P+W) =1.4×1684.8+0.2×(2808+2×1404+600) =3353.28N 2、壽命L 最大切削里F的進(jìn)給速度Vs可取最高進(jìn)給速度的1/2——1/5（取為1/3），縱向最大進(jìn)給速度為0.6m/min,絲杠導(dǎo)程Lo=6mm，則絲杠轉(zhuǎn)速為： r/min 絲杠使用壽命時間一般為15000h，則絲杠的壽命L為 L===18 3、載荷Cm 當(dāng)量動載荷Cm選用滾珠絲杠直徑do時，必須保證絲杠工作時，在一定的軸向載荷作用下，絲杠在運轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)后，在它的

44、滾道上下產(chǎn)生疲勞點濁現(xiàn)象。這個軸向負(fù)載的最大值Cm，即為滾珠絲杠桿副所能承受的最大當(dāng)量動載荷Cm 式中：——運轉(zhuǎn)系數(shù) ——精度系數(shù) ∴==14646.56N 根據(jù)C<Cm的原則，查 《機(jī)械設(shè)計手冊》化學(xué)出版社出版，第三章第3卷，選取滾軸絲桿的型號為：CMD2505-2.5E左，坐標(biāo)直徑為25mm，即外循環(huán)，齒差調(diào)隙式，一圈2.5列。滾珠直徑為39.69mm，導(dǎo)程為6mm，摩擦級選用5級，螺紋升角r=arctag（L/d）=arctg（6mm/×40）=arctg0.047=。 4、傳動功率 滾軸絲桿副的傳動功率為：=tgr/tg（r+）== =0.965 式

45、中：r——絲杠的螺紋升角 ——摩擦角。滾動絲桿副的滾動摩擦因數(shù)f=0.003，摩擦角約等于10′所以=10′ 5、穩(wěn)定性驗算 （1）臨界壓縮載荷，對于受壓的細(xì)長的滾軸絲桿，應(yīng)驗算其承受最大軸向壓縮載荷Fmax時是否會產(chǎn)生縱向彎曲。 式中 E——絲桿材料彈性量，對綱E=2.06×10N/m L——絲杠兩支承端距離（m），L=0.45m; f——絲杠的支承方式系數(shù)，f=2.00 f——許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，f=3 I——絲杠截面慣性矩（m） I= = =m d——絲杠螺紋底徑（m），d=d-1.02d=20-1.02×3.175=16.7615mm.

46、 ∴==4680.6N 6、剛度驗算 （1）、絲杠的拉伸或壓縮變形量。在總變形量中占的比重教大. 式中——滾珠絲杠支撐間的受力長度(mm) ——滾珠絲杠的導(dǎo)程(mm) ——在工作載荷作用引起的導(dǎo)程變化量(mm) 又∵ 式中——軸向平衡載荷 ——材料彈性模量 鋼= ——滾珠絲杠橫截面積 A== = = mm “+”號用于拉伸。由于兩端均采用角接觸球軸承且絲杠又進(jìn)行了預(yù)緊，故其拉壓剛度端固定的絲杠提高四倍。其實際變形為。 （2）、滾珠與螺紋接觸變形量，此項變形占總變形量的比重也教大，當(dāng)對絲杠加有預(yù)緊力且預(yù)緊力為軸向最大

47、載荷的1/3時，之直可減少一半， 又∵ 式中 ——軸向工作載荷（N） ——預(yù)緊力 ——滾珠直徑 滾珠數(shù)量其為圈數(shù)K列數(shù)Z每圈螺紋滾道內(nèi)的滾珠數(shù) 外循環(huán)Z= d——滾珠絲杠公稱直徑 = 據(jù)上所訴，實際變形量為: =0.009 (3)、支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形 支撐滾珠絲杠的軸承為8107型推力軸承，幾何參數(shù)d =15mm，滾球直徑 滾動體數(shù)量=12 軸承的軸向接觸變形為： mm 因施加預(yù)緊力，故實際變形量 mm 注意單位為k ∴總變形量=++=0.0083++0.009+0.0336=0.0509mm 又有前面已知條件可得：0.0509mm＞0.

48、015mm的定位精度。 顯然，此變形量已大于定位的要求，不符合要求;要進(jìn)行修改。因橫向留板空間限制，不宜再加大滾珠絲杠直徑，故采取貼速導(dǎo)軌減小摩擦力，從而取減小最大牽引力。 計算絲杠的最大軸向進(jìn)給切削里Fm 又因為Fm=KFf+f’(Fc+2F+W) 式中Ff、Fp、Fc——切削分力（N） K——顛覆里矩影響取K=1.4 F’——導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)取f’=0.03 W——移動部件的重量（N） 代入式中：Fm= KFf+f’(Fc+2P+W) =1.4×1684.8+0.03×(2808+2×1404+600) =2545.2N ①、絲杠的拉伸或

49、壓縮變形量。在總變形量中占的比重教大. 式中——滾珠絲杠支撐間的受力長度(mm) ——滾珠絲杠的導(dǎo)程(mm) ——在工作載荷作用引起的導(dǎo)程變化量(mm) 又∵ 式中——軸向平衡載荷 ——材料彈性模量 鋼= ——滾珠絲杠橫截面積 A== = = mm “+”號用于拉伸。由于兩端均采用角接觸球軸承且絲杠又進(jìn)行了預(yù)緊，故其拉壓剛度端固定的絲杠提高四倍。其實際變形為。 ②、滾珠與螺紋接觸變形量，此項變形占總變形量的比重也教大，當(dāng)對絲杠加有預(yù)緊力且預(yù)緊力為軸向最大載荷的1/3時，之直可減少一半， 又∵ 式中 ——軸向工作載荷

50、（N） ——預(yù)緊力 ——滾珠直徑 ——滾珠數(shù)量其為圈數(shù)K列數(shù)Z每圈螺紋滾道內(nèi)的滾珠數(shù) 外循環(huán)Z= d——滾珠絲杠公稱直徑 = 據(jù)上所訴，實際變形量為: =0.007 ③、支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形 支撐滾珠絲杠的軸承為8102型推力軸承，幾何參數(shù)d =15mm，滾球直徑 滾動體數(shù)量=12 軸承的軸向接觸變形為： mm 因施加預(yù)緊力，故實際變形量 mm 注意單位為k ∴總變形量=++=0.0063+0.007+0.0253=0.0383 又有前面已知條件可得：0.0383mm＞0.015mm的定位精度。 此變形量仍不能滿足要求，如果將滾珠絲杠再經(jīng)過預(yù)拉伸

51、，剛度還可以提高四倍，則∴總變形量=＞0.015。 ∴此變形量滿足設(shè)計要求 三、減速齒輪的設(shè)計 根據(jù)機(jī)床設(shè)計的要求，縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量為0.005mm，滾珠絲杠導(dǎo)程L=5mm，及初選的步進(jìn)電動機(jī)的步距角0.75，傳動比為 因為I<5,故可為一級齒輪傳動。I== 因進(jìn)給運動齒輪受力不大。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》選取第一系列中的模樹m=2壓力角=20 ∴d=M=2×15=30mm 分度圓直徑 = +2=m(+2)=2(15+21) =34 mm =+2 =m(+2)=2(30+21)=64 齒頂高系數(shù)，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：m≥1㎜時，正常齒制=1 齒根圓徑

52、 = -=m(-2-2)=2(152-20.25)=50 = -=m(-2-2)=2(301-20.25)=50 頂隙系數(shù) 我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：≥1 mm時，正常齒制=0.25 齒寬b=為了減小加工量，也為了裝配和調(diào)整方便，大齒齒寬應(yīng)小于齒輪齒寬，取，則 取=1 所以 所以減速齒輪參數(shù)為： 大小齒輪的材料均為40合金鋼，考慮到對傳動要求和制造方便采用直齒傳動從動齒輪齒輪錯齒輪法消除和間隙，熱處理采用調(diào)壓處理，小齒輪硬度，大齒輪：硬度 四、步進(jìn)電動機(jī)的選擇 1、計算負(fù)載慣量的意義 參考同類型

53、機(jī)床，初步選用反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)130BF001，其電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量=10。傳動系統(tǒng)折算到步進(jìn)電動機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量為： (1)、齒數(shù)Z、Z折算到步進(jìn)電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量為： (2)、絲杠折算到步進(jìn)電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量 從表查得1m的絲杠的=0.84 ∴J=0.84×1.5=1.26 (3)、等效轉(zhuǎn)動慣量為：J=J+ =0.278+ (=2.4 2、負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇 機(jī)床在不同的共況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同， (1) 快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩是： 將已知數(shù)據(jù)代入，=500r/min 考慮了電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量以后，傳動系統(tǒng)折

54、算的電動機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 J=J+J=10+2.4=12.4 M× 折算到電動機(jī)軸上的摩擦力矩 =25.10N.cm 附加摩擦力矩 =7.56N.cm 則M=M+M+M=12.4N.cm+25.10N.cm+7.56N.cm=45.06N.cm （2）快速移動時所需力矩M M=M+M=25.10 N.cm +7.56 N.cm =32.66N.cm （3）最大切削負(fù)載時所需力矩M =M+M+=25.10N.cm+7.56 N.cm+69.88N.cm=102.54N.cm 從上面計算看出M、M、M三種情況下，以最大切削負(fù)載時所需轉(zhuǎn)矩最大，以

55、此項作為初選步進(jìn)電動機(jī)的依據(jù)。 查資料得，步進(jìn)電機(jī)為五項十帕?xí)r， 步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩= 其次最大靜力矩，130BF001型步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距為9.31大于所需最大靜力矩，可作為出選型號。但還得考慮電機(jī)起動頻率特性和運行矩頻特性。 步進(jìn)電機(jī)的空載起動頻率： 電動機(jī)允許的最高空載啟動頻率為3000，最高空載運行頻率為16000。 由圖6步進(jìn)電動機(jī)起動矩頻特性可看出，當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)起動時，f起=2500HZ時，M=100N·㎝.滿足此機(jī)床所要求的空載起動力矩，所以必須采取升降速控制（可用軟件實現(xiàn)）。 a) 起動矩頻特性 b)運行矩頻特性

56、圖6 150BF002步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性 當(dāng)快速運動和切削進(jìn)給時，由150BF002步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性圖18（b）知該電動機(jī)能滿足要求，根據(jù)上述計算綜合分析，縱向進(jìn)給系統(tǒng)采用150BFOO2步進(jìn)電動機(jī)能滿足要求。 第五章 改造車床主軸及控制系統(tǒng) 第一節(jié) 改進(jìn)主軸電機(jī) 一、主軸系統(tǒng)的改進(jìn) 在對CA6140主軸的改進(jìn)過程中,主軸系統(tǒng)基本保留.主軸電機(jī)采用1PH7系列,采用蘭州電機(jī)廠生產(chǎn)的交流鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)型號為1PH7系列。[1]《機(jī)電一體化技術(shù)手冊》P5-147，配備相應(yīng)的電氣控制設(shè)備?？梢詫崿F(xiàn)主軸的正

57、反轉(zhuǎn)，主軸點動，主軸電機(jī)的熱保護(hù)功能，如圖7所示。正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)命令通過面板操作寫在程序中，由PLC輸出端口控制正轉(zhuǎn)繼電器（KAZ）或反轉(zhuǎn)繼電器（KAF），使接觸器KM1和KM2動作，完成主軸的正反轉(zhuǎn)切換，為減小主軸電機(jī)的起動電源，使用了KM3、KM4、KM5三個接觸器來完成電機(jī)的Y-△切換。為適應(yīng)螺紋加工要求，主軸上安裝了編碼器，通過端口X472輸入611UE反饋到PLC單元。熱繼電器（FR）的一組常開觸點接入X111輸入點I0.7，當(dāng)電機(jī)過熱時，熱繼電器（FR）動作，使I0.7有效，PLC單元產(chǎn)生報警，并切斷主軸電機(jī)的電源。 圖7 主軸電機(jī)電氣控制原理圖

58、 第二節(jié) 主軸脈沖編碼器的運用 一、主軸脈沖編碼器的概述 脈沖編碼器又稱脈沖發(fā)生器，它是一種直接用數(shù)字代碼表示角位移及線位移的檢測器。能把機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)床上使用廣泛的位置控制裝置。 脈沖編碼器控制方式的特點： 1、控制方式是非接觸式的，無摩擦和磨損，驅(qū)動力矩小。 2、由于光電交換器性能的提高，可得到較快的響應(yīng)速度。 3、由于照像腐蝕技術(shù)的提高，可以制造高分辨率、高精度的光電盤，母盤制作后，復(fù)制很方便，且成本底。 4、抗污染能力差，容易損壞。 二、 螺紋加工過程中編碼器的作用 雖然主軸的轉(zhuǎn)速由機(jī)械控制，但在車螺紋加工

59、中必須知道主軸轉(zhuǎn)速，根據(jù)主軸計算進(jìn)給速度。必須在主軸上安裝光電編碼器，光電編碼器通常與主軸直接聯(lián)結(jié)（傳動比1：1），為保證切削螺紋的螺距準(zhǔn)確，要求主軸轉(zhuǎn)一周工作臺移動一個導(dǎo)程，必須有固定的起刀點的退刀點。安裝在軸上的光電編碼器在切削螺紋時就可解決主軸旋轉(zhuǎn)與坐標(biāo)軸進(jìn)給的同步控制。保證主軸每轉(zhuǎn)一周，刀具準(zhǔn)確地移動一個導(dǎo)程。此外，螺紋加工要經(jīng)過幾次切削才能完成，每次重復(fù)切削時，開始進(jìn)刀的位置必須相同。為了重復(fù)切削不亂牙，數(shù)控系統(tǒng)在接收到光電編碼器的一轉(zhuǎn)脈沖才開始螺紋切削的計算。其傳動路線是：主軸—齒輪副—脈沖編碼器—數(shù)控裝置—步進(jìn)電動機(jī)—縱、橫向進(jìn)給。 三、編碼器的選擇 根據(jù)加工精度的要求，選擇

60、了長春第一光學(xué)儀器廠leelf型編碼器（每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為1200個）。 四、安裝步驟（圖8所示） 1、拆下原有掛輪，加工兩只67齒和90齒掛輪 2、增加一只中間繼電器，由電門鎖開關(guān)來控制機(jī)床的電源 圖8 脈沖編碼器的安裝圖 1-脈沖編碼器 2-同步帶輪 3-同步帶 3、在電動刀架三相電源進(jìn)線外加裝快速熔斷器和熱繼電器（2-5A），保證刀架完全工作。 第三節(jié) 改進(jìn)刀架 一、改造刀架的目的 CA6140普通車床的上帶有手動刀架。根據(jù)加工要求和生產(chǎn)情況，對刀架進(jìn)行改造，提高生產(chǎn)率、降低工人勞動強(qiáng)

61、度、為實現(xiàn)自動化加工提供前提條件。 二、刀架的選擇 經(jīng)過比較，選用常州宏達(dá)機(jī)床設(shè)備廠生產(chǎn)的LD4—C0625型四工位電動刀架。作為CA6140車床的電動刀架?？梢酝瓿纱志?，車螺紋和切槽（斷）等加工的換刀工作，結(jié)構(gòu)簡單且實用、如圖所示。刀架的轉(zhuǎn)速驅(qū)動由三相微型異步電動機(jī)來驅(qū)動完成。 三、刀架的工作原理 在加工過程中，選刀時在程序中輸入被選刀具的的TXX（刀具號）和DXX（刀沿號）。PCU單元通過PLC的輸出端口通過X111的Q0.4接通電動刀架的正轉(zhuǎn)繼電器使刀架正轉(zhuǎn)，當(dāng)所選刀具到達(dá)加工位置時，刀架上的集成霍爾單元則發(fā)出信號，通過PLC輸入端口將X111的I0.0～I(xiàn)0.

62、3信息傳遞給PUC單元結(jié)束選刀。其原理如圖9所示 圖9 802D輸入輸出接線圖 圖中1、2、3、4四根線分別接電動機(jī)的四個刀位信號（低電平有效）而802D的PLC輸入是高電平有效，因此使用KA1、KA2、KA3、KA4四個T24V直流繼電器來完成高低電平的轉(zhuǎn)換。 四、刀架的工作過程 1．刀架的動作順序：電動機(jī)（三相異步微型電動機(jī)）→減速機(jī)構(gòu)（蝸輪蝸桿）→上升機(jī)構(gòu)（螺旋機(jī)構(gòu)）實現(xiàn)刀架抬起→刀架旋轉(zhuǎn)→電器信號確定（霍爾元件）→電機(jī)反轉(zhuǎn)→粗定位（反靠攏）→刀架下降→精定位→刀架壓緊→換刀終了信號→執(zhí)行加工程序 五、安裝步驟

63、1．拆下原有手動刀架. 2．在小拖板上鉆四個安裝孔并公絲. 3．手動抬起電動刀架逆時針方向轉(zhuǎn)動電機(jī)使上刀體轉(zhuǎn)45度左右時即可覆出高裝孔，然后固定刀架并用墊板來調(diào)其中心高度，再轉(zhuǎn)至原狀態(tài)，放下刀架. 4、主裝后，適用MDI功能換刀觀察三相電源有沒有接反運轉(zhuǎn)時要達(dá)到輕松靈活無噪音的要求. 第四節(jié) 改進(jìn)機(jī)床導(dǎo)軌 機(jī)床導(dǎo)軌的作用：是使機(jī)床運動部件沿一定運動軌跡運動，它是機(jī)床主要基本結(jié)構(gòu)要素之一。機(jī)床的加工精度和使用壽命很大程度上取決于機(jī)床導(dǎo)軌的質(zhì)量。數(shù)控機(jī)床使用的導(dǎo)軌，從類型上仍是滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。為提高機(jī)床的伺服進(jìn)給的精度和定位精度，數(shù)控機(jī)床使用導(dǎo)軌都具有較低的摩擦系數(shù)和有利

64、于消除低速爬行的摩擦特性。 機(jī)床導(dǎo)軌一般分為：滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌 機(jī)床對導(dǎo)軌的要求 （1）、導(dǎo)向精度高 導(dǎo)向精度是指機(jī)床的運動部件沿導(dǎo)軌移動時的直線性和與有關(guān)基面之間的相互位置的準(zhǔn)確性。無論在空載或切削狀態(tài)下都應(yīng)有足夠的導(dǎo)向精度。影響導(dǎo)軌精度的主要原因除制造精度外，還有導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式、裝配質(zhì)量、導(dǎo)軌及其支承件的剛度和熱變形等。 （2）、耐磨性好 導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌在長期使用過程中能否保持一定的導(dǎo)向精度。因?qū)к壴诠ぷ鬟^程中有磨損，故應(yīng)力求減小磨損量，并在磨損后能自動補償或便于調(diào)整。 （3）、足夠的剛度 導(dǎo)軌受力變形會影響部件之間的導(dǎo)向精度和相對位置，故要求導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的

65、剛度。為了減輕或平衡外力的影響，數(shù)控機(jī)床常采用加大導(dǎo)軌面的尺寸提高剛度。 （4）、低速運動平穩(wěn)性 應(yīng)使導(dǎo)軌的摩擦阻力小，運動輕便，低速運動時無爬行現(xiàn)象。 （5）、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好 所設(shè)計的導(dǎo)軌應(yīng)使制造和維修方便，在使用時便于調(diào)整和維護(hù)。 （6）、而對于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給運動導(dǎo)軌則應(yīng)有更高要求。 高速進(jìn)給時不振動，低速進(jìn)給時不爬行，有高的運動靈敏性；能在重載下長期連續(xù)工作，耐磨性好，精度保持性好等。數(shù)控機(jī)床使用的導(dǎo)軌，從類型上仍是滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。為提高機(jī)床的伺服進(jìn)給的精度和定位精度。 第五節(jié) 坐標(biāo)系的建立X、Z軸的限位和參考返回電路 一、機(jī)床坐標(biāo)系是機(jī)床固有的坐標(biāo)系：

66、 它是其它坐標(biāo)系（如工件坐標(biāo)系、編程坐標(biāo)系）的基準(zhǔn)CA6140車床的坐標(biāo)原點，M定在卡盤基座與主軸中心的交點上，如圖23所示，數(shù)控系統(tǒng)是通過檢測參考點的具體位置來確定機(jī)床坐標(biāo)系的，我們選用兩個接進(jìn)開關(guān)，X軸方向與Z軸方向各安裝一個在床身上，用于建立參考點，當(dāng)移動刀架，兩個接近開關(guān)都有信號輸出時，刀架的當(dāng)前位置即為參考點R，測量XR及ZR，并將它們寫入機(jī)床數(shù)據(jù)314000（參考點位置值），即可在數(shù)控系統(tǒng)中建立機(jī)床坐標(biāo)系。 二、X，Z軸的限位輸入端設(shè)置為負(fù)邏輯 經(jīng)過分析現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的限位控制電路的缺陷，想出一種新的限位控制方式，既負(fù)邏輯控制。其基本思路是：使用限位行程開關(guān)的常閉觸點，當(dāng)限位開

67、關(guān)沒有壓下I/O點與24V斷開，機(jī)床限位。這種接法消除因線路開路而產(chǎn)生限位失靈現(xiàn)象，提高了限位電路的可靠性。限位輸入端采用負(fù)邏輯需對系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改。 采用負(fù)邏輯的輸入方法，這樣有利害、于提高數(shù)控機(jī)床的可靠性和安全性。如果機(jī)床的電路采用傳統(tǒng)的繼點器，接觸器等元件實現(xiàn)邏輯功能則不宜采用負(fù)邏輯，因為他會導(dǎo)致部分繼電器，接觸器處于始終接觸狀態(tài)。這會造成損耗大，元件升溫，壽命縮短等問題，并且元件間機(jī)械接觸，還會因為震動等因素造成誤動作。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)其控制邏輯由邏輯電子線路實現(xiàn)，，不會出現(xiàn)以上問題，本次數(shù)控改造使用的數(shù)控西門子802D數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)負(fù)邏輯輸入要軟件，硬件兩方面配合才能實現(xiàn)。 1.硬件連接 數(shù)控機(jī)床中PLC的輸入點有以下兩中連接方法，其中圖24所示的連接方法是正邏輯輸入，其原理是：當(dāng)機(jī)床運動超程時壓下行程開關(guān)SQ1，SQ1閉